RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
German
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Dieses Protokoll stellt die Etablierung eines tiefen hypothermen Kreislaufstillstands bei Ratten dar, der zur Untersuchung des systemischen Entzündungsreaktionssyndroms, der Ischämie / Reperfusionsverletzung, des oxidativen Stresses, der Neuroinflammation usw. angewendet werden kann.
Der tiefe hypothermische Kreislaufstillstand (DHCA) wird routinemäßig während Operationen bei komplexen angeborenen Herzfehlern und Aortenbogenerkrankungen angewendet. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, eine Methode zur Etablierung von DHCA bei Ratten bereitzustellen. Um den Einfluss des DHCA-Prozesses auf die Vitalparameter zu bewerten, wurde ein normaltemperatur-Herz-Lungen-Bypass-Modell (CPB) ohne Kreislaufstillstand als Kontrolle verwendet. Wie erwartet, führte DHCA zu einer signifikanten Abnahme der Körpertemperatur und des mittleren arteriellen Blutdrucks. Die Blutgasanalyse zeigte, dass DHCA den Milchsäurespiegel erhöhte, aber den Blut-pH-Wert und die Konzentrationen von Hämoglobin, Hämatokrit, Na+, Cl−, K+ und Glukose nicht beeinflusste. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse der Transmissionselektronenmikroskopie im Vergleich zu den normalen CPB-Ratten einen leichten Anstieg der Hippocampus-Autophagosomen bei den DHCA-Ratten.
Der tiefe hypothermische Kreislaufstillstand (DHCA) wird seit 1953 in der Herzchirurgie eingesetzt1. DHCA beinhaltet die Senkung der Kerntemperatur des Patienten auf ein stark hypothermisches Niveau (15-22 ° C), bevor der Blutfluss zum Körper global unterbrochenwird 2. Der Kreislaufstillstand kann ein relativ unblutiges Operationsfeld liefern. Tiefe Hypothermie verringert den Stoffwechsel, insbesondere im Gehirn und Myokard, was eine wirksame Methode zum Schutz vor Ischämie ist3. DHCA wird häufig bei Operationen bei komplexen angeborenen Herzfehlern, Aortenbogenerkrankungen und sogar Nieren- oder Nebennierentumoren mit einem Vena Cava-Thrombus 4,5 angewendet. Daher bietet die Etablierung von DHCA-Tiermodellen eine wichtige Referenz für die Verfeinerung des Verfahrens und die Vermeidung von Komplikationen im klinischen Umfeld.
Obwohl Modelle mit Eckzähnen6, Kaninchen7 und anderen Tieren etabliert werden können, ist es vorzuziehen, Ratten wegen ihrer Bedienbarkeit und niedrigen Kosten zu verwenden. Das DHCA-Rattenmodell wurde erstmals 2006 von Jungwirth et al.8 beschrieben. Es wurde festgestellt, dass die Dauer des Kreislaufstillstands einen Einfluss auf die neurologischen Ergebnisse hatte. Seitdem wurden DHCA-Rattenmodelle breit untersucht. Es wurde klargestellt, dass DHCA ein systemisches Entzündungsreaktionssyndrom (SIRS) hervorrufen könnte9. In nachfolgenden Studien fanden Pharmakologen heraus, dass die durch SIRS induzierte DHCA-bedingte Neuroinflammation durch Resveratrol10 und Triptolid11 abgeschwächt werden konnte. Unser Team fand auch heraus, dass DHCA-bedingte Neuroinflammation durch Hemmung des kälteinduzierbaren RNA-bindenden Proteins12 abgeschwächt werden kann. Im kardiovaskulären System hat Superoxiddismutase eine kardioprotektive Wirkung auf Ischämie / Reperfusion (I / R) -Verletzungen während DHCA13. Diese Ergebnisse erweiterten das Verständnis von DHCA-bezogenen pathophysiologischen Prozessen und boten neue Wege zur Verbesserung der DHCA-Ergebnisse. Die Ergebnisse in Bezug auf Endotoxämie, oxidativen Stress und Autophagie nach DHCA sind jedoch nicht schlüssig. DHCA verwendet die gleiche operative Technologie wie der kardiopulmonale Bypass (CPB)14, aber seine Managementstrategie ist unterschiedlich, und die Schritte zur Erzeugung von DHCA unterscheiden sich in verschiedenen Teams 8,9,10,11. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, eine Methode zur Etablierung des DHCA-Verfahrens bei Ratten bereitzustellen.
Die Protokolle wurden einer institutionellen Überprüfung unterzogen und vom Institutional Animal Care and Use Committee, Fuwai Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences (FW-2021-0005) genehmigt. Alle experimentellen Verfahren wurden in Übereinstimmung mit dem von den National Institutes of Health veröffentlichten Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren durchgeführt.
HINWEIS: Männliche Sprague-Dawley-Ratten (Gewicht: 500-600 g, Alter: 12-14 Wochen) wurden unter Standardlaborbedingungen mit freiem Zugang zu Nahrung und Wasser gehalten. Die Ratten wurden zufällig in zwei Gruppen eingeteilt (n = 6, jede Gruppe): die DHCA-Gruppe und die Normaltemperatur-CPB-Gruppe (NtCPB-Gruppe).
1. Vorarbeiten
2. Anästhesie und Kanülierung
3. DHCA-Initiierung
4. Kühlung
5. Tiefer hypothermer Kreislaufstillstand
6. Aufwärmen und Reperfusion
7. Entwöhnung der CPB
Als Kontrollgruppe zeigten die Normaltemperatur-CPB-Ratten (NtCPB) ohne Kreislaufstillstand während des gesamten Verfahrens einen stabilen mittleren arteriellen Blutdruck (MAP) und eine stabile Körpertemperatur, während der MAP der DHCA-Ratten während des Herzstillstands abnahm (p < 0,01, Abbildung 3A). Die Temperatur der DHCA-Ratten sank während der Abkühlphase schnell und erholte sich allmählich während der Wiedererwärmungsphase. Beim Absetzen der Ratten aus den DHCA-Kreisläufen normalisierte sich die Temperatur der DHCA-Ratten wieder (Abbildung 3B).
Die Wirkung des DHCA-Prozesses auf Ratten wurde mittels Blutgasanalyse untersucht. Nach dem Vollblutkontakt mit der Priming-Lösung war die Hämoglobinkonzentration (Hb) in beiden Gruppen höher als 6 g/dl (Abbildung 4A). Beim Absetzen der Ratten vom DHCA-Kreislauf erhöhte sich die Konzentration auf 9 g/dl aufgrund der Infusion des verbleibenden Blutes im CPB-Kreislauf in die Ratte. Hämatokrit (HCT) zeigte eine ähnliche Tendenz wie Hb (Abbildung 4B). Zu Beginn des CPB-Verfahrens könnten die Unterschiede in Hb und HCT auf die unterschiedlichen Gewichte der Ratten zurückzuführen sein. Das Durchschnittsgewicht der DHCA-Ratten betrug 571,1 g ± 7,254 g, während das Durchschnittsgewicht der Ratten in der NtCPB-Gruppe 535,0 g ± 8,317 g betrug (p = 0,075). Obwohl Unterschiede in der Hb-Konzentration zu Unterschieden in der Fähigkeit des Blutes führen würden, Sauerstoff zu transportieren, waren die Veränderungstrends der beiden Gruppen gleich, was darauf hindeutet, dass DHCA die Hb-Konzentration nicht zusätzlich beeinflusst. Nach DHCA und Reperfusion stieg der Milchsäurespiegel schnell an, und dies war in der DHCA-Gruppe ausgeprägter (Abbildung 4C). Der pH-Wert sank nach dem DHCA-Verfahren, was höchstwahrscheinlich auf die Ansammlung von Milchsäure zurückzuführen war (Abbildung 4D). Während des gesamten Experiments zeigten die Konzentrationen von Na+, Cl−, K+ und Glukose zu keinem Zeitpunkt signifikante Unterschiede (Abbildung 5). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass DHCA nur erhöhte Milchsäure verursachte, aber den Blut-pH-Wert und die Konzentration von Hämoglobin, Hämatokrit, Na +, Cl−, K + und Glukose nicht beeinflusste.
Autophagie ist ein Prozess, bei dem eukaryotische Zellen Lysosomen verwenden, um ihre zytoplasmatischen Proteine und beschädigten Organellen abzubauen15. Bei physiologischen und einigen pathologischen Zuständen ist ein mildes Maß an Autophagie für die Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase unerlässlich. Übermäßige Autophagie kann jedoch zu metabolischem Stress, dem Abbau von Zellbestandteilen und sogar zum Zelltod führen16. Um den Einfluss von DHCA auf die neuronale Autophagie zu bewerten, verwendeten wir Transmissionselektronenmikroskopie und fanden überraschenderweise eine erhöhte Anzahl von Autophagosomen in den Hippocampi der DHCA-Ratten (Abbildung 6). Basierend auf den bidirektionalen Funktionen von Autophagosomen, ob die erhöhten Autophagosomen eine neuroprotektive und kompensatorische oder eine pathologische Rolle während DHCA spielen, bedarf es noch weiterer Forschung.

Abbildung 1: Chirurgische Instrumente, die im DHCA-Modell verwendet werden. a) Jod, b) Injektionsspritzen, c) Klebeband, d) feuchte Gaze, e) Pinzetten, f) Scheren, g,h) Mikrozangen, i) Elektrokoagulator, j) Rasierer und k) Seide. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Herz-Lungen-Bypass-Schaltung des DHCA-Rattenmodells. (A) a: Membranoxygenator; b: Wärmetauscher; c: Reservoir; d1: Das Rohr zur Befestigung der Rollenpumpe (Außendurchmesser [OD], 6 mm; Innendurchmesser [ID], 4 mm; Länge, 15 cm); d2: Das Rohr, das Wärmetauscher und Membranoxygenator verbindet (OD, 6 mm; ID 4 mm; Länge, 8 cm); d3: Die Arterienauslassleitung (OD, 2,5 mm; ID, 1,5 mm; Länge, 20 cm). b) a: Reservoir; b: Membranoxygenator; c: Wärmetauscher; d: Rollenpumpe. Der gelbe Pfeil zeigt die Richtung des Blutflusses an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Vitalzeichen der DHCA-Ratten und CPB-Ratten bei normaler Temperatur. (A) Der mittlere Arteriendruck und (B) die Rektaltemperatur wurden während des gesamten Verfahrens kontinuierlich überwacht. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardfehler des Mittelwerts (SEM) dargestellt, n = 6 pro Gruppe. DHCA = 30 min. Die Unterschiede zwischen den beiden Gruppen zu jedem Zeitpunkt wurden mit einem ungepaarten Student's t-Test verglichen. Abkürzungen: DHCA = deep hypothermal circulatory arrest; NtCPB = normaler kardiopulmonaler Bypass; MAP = mittlerer arterieller Blutdruck. * p < 0,05, ** p < 0,01, *** p < 0,001; p > 0,05 nicht ausgewiesen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Der pH-Wert und die Konzentrationen von Hämoglobin, Hämatokrit und Milchsäure bei Ratten. Arterienblutproben für die Analyse von (A) Hämoglobin, (B) Hämatokrit, (C) Milchsäure, (D) und pH-Wert wurden über die Oberschenkelarterie zu drei Zeitpunkten gesammelt: die Einleitung von CPB vor DHCA und die Entwöhnung der CPB. DHCA = 30 min. Die Daten werden als Mittelwert ± REM dargestellt, n = 6 pro Gruppe. Der Unterschied zwischen den beiden Gruppen zu jedem Zeitpunkt wurde mit einem ungepaarten Student's t-Test verglichen. Abkürzungen: DHCA = deep hypothermal circulatory arrest; NtCPB = normaler kardiopulmonaler Bypass; Hb = Hämoglobin; Hct = Hämatokrit; Lac = Milchsäure. * p < 0,05. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5: Die Konzentration von Na+, Cl−, K+ und Glucose bei Ratten. Arterienblutproben für die Analyse von (A) Na+, (B) Cl−, (C) K+ und (D) Glukose wurden über die Oberschenkelarterie zu drei Zeitpunkten gesammelt: der Einleitung von CPB vor DHCA und der Entwöhnung der CPB. DHCA = 30 min. Die Daten werden als Mittelwert ± REM dargestellt, n = 6 pro Gruppe. Die Unterschiede zwischen den beiden Gruppen zu jedem Zeitpunkt wurden mit einem ungepaarten Student's t-Test verglichen. Abkürzungen: DHCA = deep hypothermal circulatory arrest; NtCPB = normaler kardiopulmonaler Bypass; Glu = Glukose. p > 0,05 nicht ausgewiesen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 6: Autophagosomen im Hippocampi von Ratten. Die Ratten wurden 30 Minuten nach dem Absetzen des CPB-Kreislaufs eingeschläfert, und die Hippocampi wurden sofort geerntet. Dann wurden die Hippocampi in Glutaraldehyd für die weitere Transmissionselektronenmikroskopie fixiert, um die Expression von Autophagosomen in den Hippocampi von (A) NtCPB-Ratten und (B) DHCA-Ratten zu untersuchen. DHCA = 30 min. Maßstabsbalken: 1 μm und 250 nm. Die Pfeile zeigen auf Autophagosomen. Abkürzungen: DHCA = deep hypothermal circulatory arrest; NtCPB = normaler kardiopulmonaler Bypass. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Dieses Protokoll stellt die Etablierung eines tiefen hypothermen Kreislaufstillstands bei Ratten dar, der zur Untersuchung des systemischen Entzündungsreaktionssyndroms, der Ischämie / Reperfusionsverletzung, des oxidativen Stresses, der Neuroinflammation usw. angewendet werden kann.
Die Autoren danken Liang Zhang für die Hilfe bei der Sammlung der Videodaten während des Experiments. Diese Studie wurde von der National Natural Science Foundation of China (Förderkennzeichen: 82070479) und den Fundamental Research Funds for the Central Universities (Fördernummer: 3332022128) unterstützt.
| Wärmetauscher | Xi' an Xijing Medical Appliance Co., Ltd | Animal-M | |
| Membranoxygenator | Dongguan Kewei Medical Instrument Co., Ltd. | Micro-M | |
| Monitor | Chengdu Techman Co., Ltd | BL-420s | |
| Rollenpumpe | Changzhou Prefluid Technology Co., Ltd | BL100 | |
| SD Rat | HFK Bioscience Co., Ltd. | / | |
| Sevofluran | Maruishi Pharmaceutical Co. Ltd | H20150020 | |
| Rasierer | Hangzhou Huayuan Pet Products Co., Ltd. | / | |
| Verdampfer | SPACECABS | / | |
| Beatmungsgerät | Shanghai Alcott Biotech Co., Ltd | ALC-V8S | |
| Wassertank | Maquet Critical Care AB | Jostra HCU20-600 |