Wir stellen eine neuartige Methode zur Untersuchung der Regulation des zerebralen Blutflusses (CBF) in vivo vor, indem wir präzise zisternale Magna-Nanoinjektion mit Laser-Speckle-Kontrast-Bildgebung (LSCI) kombinieren. Dieser Ansatz ermöglicht eine genaue Verabreichung von Medikamenten in die zerebrale Rückenmarksflüssigkeit (CSF) und ermöglicht gleichzeitig eine Echtzeitüberwachung der CBF, was die Beurteilung der zerebralen Gefäßreaktivität erleichtert.
Pharmakologische Manipulations- und Verabreichungstechniken sind entscheidend für die Untersuchung von CBF und zerebraler Gefäßreaktivität in vivo. Traditionelle Methoden zur Anwendung von Medikamenten, wie die Verwendung von Vasodilatatoren oder Konstriktoren, erfordern oft die Entfernung des Schädels, was die Leptomeninge und sogar das Hirnparenchym schädigen kann 9,10,18. Diese invasiven Techniken können die Mikroumgebung des Gehirns stören, insbesondere indem sie Gefäßschäden und Blutungen verursachen, wodurch die tatsächlichen physiologischen Bedingungen nicht repliziert werden können. Im Gegensatz dazu bietet unsere Methode vier wesentliche Vorteile.
Erstens ist unser Ansatz für die Anwendung von Medikamenten nicht-invasiv und bewahrt die physiologischen Bedingungen. Zweitens beruhen klassische ICM-Injektionsmethoden in der Regel auf Spritzen oder Kanülen, was aufgrund der Größe der Spitzen zum Austreten von Medikamenten oder Spuren und Liquor führen kann. Diese traditionellen Methoden erfordern oft große Mengen an Medikamenten oder Spuren - in der Regel 5 μl oder mehr, die den Hirndruck verändern können. Im Gegensatz dazu benötigt unsere nanoinjektorgeführte ICM-Injektion nur ein geringes Volumen von nur 1,5 μl oder weniger. Darüber hinaus kann die Einspritzgeschwindigkeit über einen weiten Bereich von 1 nL/s bis 100 nL/s präzise gesteuert werden. In der Regel verwenden wir eine Geschwindigkeit von 5 nL/s (300 nL/min), da diese Rate den intrakraniellen Druck nicht beeinflusst. Drittens folgt unsere auf zisternalen Magna-Injektionen basierende Medikamentenverabreichung im Gegensatz zu pipettengesteuerten Medikamenteninjektionen in das Hirnparenchym oder der Arzneimittelperfusion auf der kortikalen Oberfläche dem natürlichen Fluss des Liquors und ahmt die physiologischen Bedingungen genau nach. Da unsere Methode die Integrität des Schädels und der Hirnhäute bewahrt, können wir Messungen an derselben Gruppe von Mäusen zu verschiedenen Zeitpunkten durchführen, was Längsschnittvergleiche ermöglicht - etwas, das mit anderen Methoden zur Verabreichung von Medikamenten nicht möglich ist. Für Überlebensstudien und Längsschnittvergleiche müssen strenge aseptische Techniken befolgt werden, einschließlich der ordnungsgemäßen Vorbereitung der Haut, der Verwendung steriler Instrumente und Materialien und der Einhaltung der Richtlinien für die Tierhaltung in Einrichtungen. Für die Wundheilung sollte eine zweiwöchige Erholungsphase eingeplant werden.
Die Methode der Anästhesie kann den CBF erheblich beeinflussen. Zum Beispiel kann eine Ketamin-Xylazin-Anästhesie den CBF-Spiegel um über 50 % über den Ausgangswert anheben, während Isofluran den basalen CBF-Spiegel verdoppeln kann. In unseren Experimenten haben wir uns für Urethan und Chloralose entschieden, da sie nur minimale Auswirkungen auf das Herz-Kreislauf-System haben, was zur Aufrechterhaltung des physiologischen CBF-Spiegels beiträgt, wie er in der Praxis üblich ist26,27. Darüber hinaus haben wir die intraarterielle Kanülierung zugunsten einer wiederholten Blutgasmessung übersprungen, um nicht-invasiv zu sein, obwohl solche Verfahren mit unserer Methode kombiniert werden können26.
Unser Ansatz integriert zwei Systeme: das Nanoinjektions-basierte ICM-Injektionssystem28 und das Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI)-System29. Die Experimentatoren müssen in beiden Systemen geschult sein, um das Verfahren erfolgreich durchführen zu können. Da das LSCI-System den gesamten Platz über dem Kopf der Maus einnimmt, erleichtert die Neigung des Arms um 45Grad nicht nur die ICM-Injektion, sondern gewährleistet auch die Kompatibilität zwischen den beiden Systemen. Dieser Aufbau ist entscheidend für den Erfolg des Experiments.
Für Anfänger, die die Nanoinjektor-geführte ICM-Injektion anwenden, ist umfangreiche Übung erforderlich, um die Koordination des Trennens der Muskeln mit einer Pinzette in einer Hand zu beherrschen, während der Mikromanipulator zur Führung der Glaspipette mit der anderen Hand manövriert wird. Ein gutes Laserlicht und ein Gelenkarm-Stereomikroskop sind für eine optimale Visualisierung während des Eingriffs unerlässlich.
Mit dieser Methode untersuchten wir, wie klassische Vasodilatatoren wie DHPG, Acetylcholin und Adenosin CBF beeinflussen. Wie erwartet, erhöhten alle drei Vasodilatatoren die CBF; Sie induzierten jedoch unterschiedliche Dynamiken. DHPG verursachte einen starken Anstieg des CBF, gefolgt von einem langsamen Zerfall, während Acetylcholin einen allmählichen Anstieg auslöste. Im Gegensatz dazu führte Adenosin nur zu einem vorübergehenden Anstieg des CBF.
Diese Methode sollte auch auf Rattenmodelle anwendbar sein. Da die Dicke des Rattenschädels jedoch etwa 0,5-1 mm beträgt, muss er für die Laser-Speckle-Kontrastbildgebung verdünnt werden. Darüber hinaus kann die derzeitige Methode zwar für kopffixierte, wache Mäuse angepasst werden, erfordert jedoch umfangreiches Training, um die Bewegungen der Tiere während der Experimente zu minimieren. Wir verwendeten eine begrenzte Anzahl von Mäusen, um unsere Methode zu demonstrieren; Daher ist unsere Studie statistisch begrenzt und es ist Vorsicht geboten, wenn aus unseren Ergebnissen allgemeine Schlussfolgerungen gezogen werden.
Für konsistente und zuverlässige CBF-Messungen ist es für die Experimentatoren wichtig zu erkennen, dass andere physiologische Parameter wie Körpertemperatur, Blutdruck und CO2 -Spiegel eine entscheidende Rolle bei einer umfassenden physiologischen Bewertung spielen und in zukünftigen Studien sorgfältig berücksichtigt werden sollten. Zusammenfassend stellen wir eine neue in vivo Methode zur Untersuchung der CBF-Regulation bei Mäusen vor. Dieser Ansatz ist präzise und minimalinvasiv und eignet sich daher gut für die Untersuchung der medikamenteninduzierten CBF-Dynamik.