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Das Verständnis der komplexen Pathophysiologie der AAA ist entscheidend für die Verbesserung der Behandlung von Aortenaneurysmaerkrankungen. Während neuere Strategien aktiv entwickelt werden, um die chirurgischen Ergebnisse zu verbessern, sind AAAs in unserer alternden Gesellschaft nach wie vor weit verbreitet und Aneurysmarupturen sind nach wie vor eine der häufigsten Todesursachen in den Vereinigten Staaten10. Daher rechtfertigt der ungedeckte Bedarf an AAA-Erkennungs-, Präventions- und Behandlungsstrategien weitere grundlegende Aneurysmaforschungen11.
Tiermodelle, die die Merkmale und Verhaltensweisen menschlicher AAAs genau und effizient rekapitulieren, sind für mechanistische Studien der Aneurysma-Pathophysiologie und die Identifizierung potenzieller therapeutischer Ziele unerlässlich. Während aktuelle Tiermodelle die wichtigsten Aspekte der aneurysmatischen Veränderungen, die bei menschlichen Krankheiten auftreten, nachahmen können, repräsentiert kein einzelnes Modell die wahre Komplexität menschlicher AAAs vollständig. Derzeit sind Mäuse die am weitesten verbreitete Spezies für die AAA-Modellierung von Tieren. Forscher sollten die verschiedenen Stärken und Schwächen jedes Mausmodells für ihre jeweilige Aneurysmastudie berücksichtigen, wie sie in Übersichtsarbeiten von Daugherty et al. und Busch et al. fachmännisch beschrieben wurden12,13.
Die Verwendung von Elastase zur Induktion von AAA bei Nagetieren wurde erstmals 1990 von Anidjar et al. beschrieben14. Die Perfusion der Aorta mit porziner Pankreas-Elastase unter Verwendung einer Spritzenpumpe erzeugt eine anfängliche Dilatation zwischen etwa 50 % und 70 %, und die erweiterten Segmente weisen günstige ähnliche pathologische Merkmale menschlicher AAAs auf, wie z. B. mediale Degeneration und adventitielle Entzündung. Das klassische Perfusionsmodell ist jedoch wohl das technisch anspruchsvollste Aneurysmamodell, und die Aneurysmen, die typischerweise in der zweiten Woche gebildet werden, beginnen sich danach allmählich aufzulösen. Bhamidipati et al. zeigten dann im Jahr 2012, dass die adventielle Anwendung von Elastase auch erfolgreich ähnliche Aneurysmen induzieren kann, die in Größe15 reproduzierbarer sind. Das topische Elastase-Modell ist ein weitaus weniger anspruchsvolles Modell, das in der Aneurysmaforschung weit verbreitet ist. Weitere Methoden und Vorteile des topischen Elastasemodells werden im Methodenpapier von Xue und Kollegendiskutiert 16.
Das Elastase/BAPN-Modell der murinen AAA wurde 2017 von Lu und Kollegen entwickelt8. Die Einführung von Trinkwasser mit 0,2 % BAPN verbesserte viele der Kritikpunkte am klassischen topischen Elastase-Modell und führt nun zu Aneurysmen, die sich kontinuierlich bis zum Punkt der AAA-Ruptur ausdehnen. In ihrer Studie aus dem Jahr 2017 zeigten sie, dass Mäuse in der mit Elastase/BAPN behandelten Gruppe signifikant höhere AAA-Bildungsraten aufwiesen als in der Elastase-Gruppe (93 % vs. 65 %, P < 0,01), bei denen es sich ebenfalls um AAAs im fortgeschritteneren Stadium handelte. Über einen Zeitraum von 100 Tagen dehnten sich die AAAs in der Elastase/BAPN-Gruppe weiter auf >800 % des Ausgangsdurchmessers aus und bildeten einen intraluminalen Thrombus (53,8 %), wobei 46,2 % vor Ende des Experiments spontan rupturierten. Dieses Modell hat es Forschern ermöglicht, Faktoren zu untersuchen, die das Fortschreiten und die Stabilität des Aneurysmas im Laufe der Zeit beeinflussen können.
Berman et al. untersuchten das Elastase/BAPN-Modell weiter, indem sie die Konzentration der topischen Elastase, die Studiendauer, den Zeitpunkt der BAPN-Verabreichung und den Einfluss des Tiergeschlechts variierten9. Die Behandlung mit 5 μl höher konzentrierter Elastase (5 mg/ml oder 10 mg/ml) führte über 56 Tage zu größeren Aneurysmen als 2,5 mg/ml. Die Prävalenz der intraluminalen Thrombusbildung hing auch von der Elastasekonzentration ab, die bei 28,6 % der mit 5 mg/ml behandelten Mäusen und bei 62,5 % der mit 10 mg/ml behandelten Mäuse auftrat. Sie zeigten auch, dass das Elastase/BAPN-Modell Aneurysmen bei weiblichen Mäusen induzieren kann. Obwohl nur wenige weibliche Mäuse untersucht wurden (n=5), fanden sie heraus, dass die Aneurysmen bei weiblichen Mäusen anfälliger für Rupturen waren (2 von 5 Mäusen) und nach 56 Tagen signifikant größer waren als bei männlichen AAAs.
In diesem Artikel wollen wir eine Methode entwickeln, um eine der größten Einschränkungen der chirurgischen Modellierung zu beheben, nämlich die Variation des chirurgischen Verfahrens. Ohne einen klaren Konsens über den Grad der Dissektion und den Bereich der Aorta, der mit Elastase behandelt wird, könnten die Ergebnisse dieses Modells zwischen Tieren, Forschern und Institutionen dramatisch variieren. Wir haben zahlreiche anatomische Unterschiede zwischen Mäusen beobachtet, einschließlich der Anzahl und Größe der Lendenarterien und Venen sowie der Lage der IMA, der Abnahme der linken Gonadenvene, unter anderem, was einschränkend sein kann, wenn versucht wird, nur einen Teil oder ein bestimmtes Segment der infrarenalen Aorta zu behandeln. Hier zeigen wir, dass das zirkumferentielle Präparieren der gesamten Länge der infrarenalen Aorta von der linken Nierenarterie proximal zur Aortenbifurkation distal dazu beiträgt, trotz anatomischer Unterschiede reproduzierbare Grade der Aortenfreilegung zu erzielen und gleichzeitig den Erfolg der Aneurysma-Induktion zu erhöhen und dem Bediener klare Grenzen zu setzen. Darüber hinaus neigen die Größe und die vordere Position der IVC dazu, einen Großteil der Aorta abzudecken, was sich auf die Menge der behandelten Aorta auswirken kann, wenn sie nicht von der IVC isoliert wird. Während es notwendig ist, die retroperitoneale Faszie zu entfernen, um die Aorta freizulegen, ist es wichtig, das Bindegewebe der Adventitia nicht vollständig von der Aorta abzutrennen und eine der Medienschichten freizulegen, da dies typischerweise zu einem Bruch während der 5-minütigen Elastase-Inkubationszeit führt. Dies könnte als zusätzliche interne Kontrolle bis zum Grad der Dissektion mit diesem Modell dienen, kann jedoch bei der Einführung dieses Modells eine frustrierende Lernkurve sein. Der Bediener lernt außerdem Bereiche mit höherem Risiko kennen (Abbildung 4), die während der Operation leicht verletzt werden und zu unkontrollierbaren Blutungen führen können.
Es ist zwar wichtig, dass die Verfahrensschritte dieses Modells konsistent sind, aber die Dauer der Studie und der Zeitpunkt der Intervallsonographie können je nach Forschungsziel variieren. Die Aortendilatation beginnt unmittelbar mit der Elastase-Anwendung, doch Studien, die dieses Modell verwenden, folgen Mäusen in der Regel 28 Tage nach der Operation7, wie in diesem Beispielexperiment. Eine Verlängerung der Studiendauer sollte in Betracht gezogen werden, wenn fortgeschrittene AAAs, langfristiges Wachstum, intraluminale Thrombusbildung oder Ruptur untersucht werden.
Zusätzliche perioperative Maßnahmen, wie die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur und des Hydratationsstatus der Tiere, können dazu beitragen, das Überleben der Tiere bei diesem invasiven Verfahren zu verbessern. Die Verwendung eines Heizkissens während der Operation und die Unterbringung in einem warmen Aufwachkäfig können helfen, Unterkühlung zu vermeiden. Kochsalzlösung sollte erwärmt werden, bevor sie zur Spülung der Bauchhöhle verwendet wird. Ein subkutaner Flüssigkeitsbolus direkt nach der Operation kann unmerkliche Flüssigkeitsverluste während der Operation ausgleichen und dem Tier helfen, während der unmittelbaren Erholungsphase eine ausreichende Flüssigkeitszufuhr aufrechtzuerhalten. Bei sorgfältiger Gewebehandhabung und einem konsequenten methodischen Ansatz kann das Elastase/BAPN-Modell von einem erfahrenen Bediener zwischen 30 min und 45 min pro Maus durchgeführt werden und zuverlässig AAA mit sehr geringen perioperativen Komplikationen produzieren.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Kombination von BAPN zusätzlich zur zirkumferentiellen Dissektion der infrarenalen Aorta vor der Elastase-Applikation große, kontinuierlich expandierende AAAs mit größeren Durchmessern und Rupturinzidenz in kürzeren Zeiträumen erzeugt. In diesem Experiment wurden AAAs bei allen männlichen (6 von 6) und weiblichen (6 von 6) Mäusen, die mit aktiver Elastase behandelt wurden, erfolgreich induziert. Eine 5-minütige Elastase-Exposition führte zu einer sofortigen Vergrößerung des Aortendurchmessers um etwa 30-40%, was hilfreich ist, um eine erfolgreiche und konsistente Elastase-Anwendung in den Behandlungsgruppen zu bestätigen. Ähnlich wie Berman et al. haben wir gezeigt, dass dieses Modell AAAs bei weiblichen Mäusen induzieren kann, die auch eine stärkere Rupturreaktion als männliche Mäuse aufweisen. Die Hälfte der weiblichen Mäuse (3 von 6) riss innerhalb von 28 Tagen, verglichen mit 0 von 6 der männlichen Mäuse, jedoch wiegen weibliche Mäuse weniger als männliche. Männliche Mäuse zeigten eine Zunahme des AAA-Durchmessers um 257 % im Vergleich zu -4 % der männlichen Kontrollen, während die überlebenden Weibchen eine Zunahme des Durchmessers um 417 % zeigten, verglichen mit -16 % der weiblichen Kontrollen. Die Aortendurchmesser unterschieden sich nach 28 Tagen nicht signifikant zwischen den überlebenden männlichen und weiblichen behandelten Mäusen, was auf die höhere Anzahl von Rupturen in der weiblichen Gruppe zurückzuführen ist. Wir spekulieren, dass die Scheinmäuse am Ende der Studie kleinere Aortendurchmesser aufweisen, da die Aorta dazu neigt, sich während der ersten Dissektion leicht zu erweitern und dann nach 28 Tagen Narbengewebe zu bilden.
Das Elastase/BAPN-Modell weist gewisse Einschränkungen auf. Die zirkumferenzielle Dissektion der Aorta erfordert feine chirurgische Fähigkeiten, trägt jedoch dazu bei, die Replizierbarkeit und den Grad der Aneurysma-Induktion zu verbessern. Ähnlich wie beim topischen Elastase-Modell gibt es auch bei der Elastase-Enzymaktivität einen Batch-Effekt, was daher, wie bereits erwähnt, wichtig ist, um die gleiche Flasche Elastase für alle Tiere in einem bestimmten Experiment zu verwenden. Während die Inzidenz von intraluminalen AAA-Thromben und -Rupturen mit der Zeit und dem Schweregrad des Aneurysmas zunimmt, sind diese in diesem Modell weder garantiert noch vollständig vorhersagbar.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Elastase/BAPN-Modell sowohl bei männlichen als auch bei weiblichen Mäusen große, echte infrarenale AAAs produziert, die sich im Laufe der Zeit progressiv ausdehnen, einen intraluminalen Thrombus bilden und rupturieren können. Diese Stärken dieses Mausmodells tragen dazu bei, einige der Verhaltensweisen und Merkmale von Aneurysmen beim Menschen besser zu rekapitulieren. Obwohl es technisch schwierig ist, kann eine sorgfältige und gründliche Dissektion der Aorta die aneurysmatische Reaktion verstärken. Derzeit ist die Elastase/BAPN-Methode ein fortschrittliches Modell zur Untersuchung von infrarenalen Bauchaortenaneurysmen.