שבץ מוחי הוא הגורם המוביל לנכות וסיבת המוות החמישית המובילה בארצות הברית. כ -87% מכלל השבץ הם איסכמיים, בעוד שרוב 13% הנותרים הם דימומים2. שבץ איסכמי מוגדר כחסימת זרימת הדם בעורק לרקמה שמסביב. חסם זה גורם למחסור בחמצן ונמק לאחר מכן שמוביל לעתים קרובות לנכות קבועה בחולים ששרדו. אמנם חלה ירידה בשיעור התמותה משבץ3, שכיחותו צפויה לגדול ל -3.4 מיליון אנשים עד 20304. עלייה זו בניצולים נכים ונטל כלכלי כתוצאה מכך הובילו לדחיפה למחקר שבץ המתמקד במנגנונים של תיקון עצבי. לאחר שבץ יש תקופה דלקתית שמובילה להיווצרות צלקת המונעת את הרחבת האזור הנמקי. האזור המקיף את הליבה הנמקית מכונה "peri-infarct" ויש ראיות חזקות לכך שהפלסטיות באזור זה, הכוללת אנגיוגנזה מוגברת, נוירוגנזה ונבט אקסוני, קשורה ישירות להתאוששות הנצפית במודלים של בעלי חיים ובני אדם5. מכיוון שאין מודלים במבחנה שיכולים לשכפל כראוי את האינטראקציות המורכבות לאחר שבץ, מודלים של בעלי חיים חיוניים לחקר שבץ.
ישנם מספר דגמי vivo שניתן להשתמש בהם כדי לייצר שבץ איסכמי. אחד המודלים הנפוצים ביותר המשמשים בעכברים הוא חסימה בעורק המוחי האמצעי, או MCAo, באמצעות דיסטלי או פרוקסימלי (באמצעות חוט תוך עורקי) אוחסם. המודל הפרוקסימלי, הידוע גם בשם MCAo חוט (fMCAo), בדרך כלל גורם שבץ איסכמי גדול המקיפים בכל מקום בין 5% ל 50% של חצי הכדור המוחי, תלוי במספר גורמים6. בדגמים אלה, תפר או חוט מתקדם מעורק הראשי הפנימי לבסיס העורק המוחי האמצעי (MCA) ונשמר במקום לפרק זמן מסוים. שיטה זו לחסימה, אשר ניתן נעשה זמני או קבוע, מייצר אוטם כי הוא מרוכז בסטריאטום עשוי או לא יכול להיות כרוך יתר על המידה קליפת המוח6. גודל הקו המתקבל משתנה מאוד, וטכניקות הדמיה, כגון דופלר לייזר, נדרשות כדי לאשר את האפקטיביות של ההליך בכל עכבר. חסימת חוט תוך-עורקי או תוך-זוהר הנמשכת יותר מ-30 דקות מייצרת משיכות בקצה הגדול יותר של טווח הגודל. כמה חוקרים התמקדו בזמני החסימה קצרים יותר של חוטים, הדורשים מיקוד ניסיוני משמעותי ואימותמעבדה 7. מודלים של Filament MCAo בעכברים עוקבים אחר שלבים דומים של מוות תאי, התקדמות איסכמית, ויצירת אזור אוטם פרי כפי שניתן לראות במקרים של שבץ אנושי; עם זאת, השבץ הגדול יותר דומה יותר למצב המחלה של אוטם מוחי ממאיר, שהם פחות נפוצים, פחות ניתן לטיפול שבץ אנושי6. בינתיים, חסם MCA דיסטלי דורש ניתוח מעורב יותר וכת craniectomy. במודל זה, החלק הדיסטלי של MCA העובר לאורך פני השטח של המוח הוא חסם ישירות עם עניבת תפר או צרוב. בווריאציות מסוימות של הטכניקה, עורקי העורק הראשי חסומים באופן חד-צדדי או חולף-דו-צדדי. היתרון של MCAo דיסטלי הוא שהוא מייצר שבץ מבוסס קליפת המוח כי הוא פחות משתנה בגודל מאשר מודל חוט. עם זאת, המודל הדיסטלי מייצר תפוקה התנהגותית ירודה יותר עקב טרנספר של העורק הראשי החיצוני (ECA), שהוא גם דאגה עם fMCAo6.
מודל שבץ חלופי הידוע כפחות פולשני הוא מודל הפוטו-טרומבוטי (PT). מודל PT תוצאות מיקום מוגדר היטב של איסכמיה והוא קשור לשיעור הישרדות גבוה8. הטכניקה מסתמכת על צבע רגיש לאור מוזרק תוך-איפריטונית המאפשר חמצון פוטו-וסקולרי פשוט על ידי הקרנת הרקמה הרצויה עם אור או לייזר9. עם עירור, נוצרים רדיקלים חמצן הגורמים נזק אנדותל, אשר מפעיל צבירה טסיות דם היווצרות קריש באזור מוקרן8,9. השליטה ההדוקה על גודל ומיקום שבץ, כמו גם רבייה גבוהה של מודל PT, עושה את זה אידיאלי עבור לימוד ביו חומרים. בעוד דיוק מתאפשר באמצעות לייזר וקואורדינטות סטריאוטקסיות, ישנם כמה חסרונות שעשויים להפוך את המודל הזה פחות אידיאלי עבור מחקרים מעטים. שלא כמו דגם fMCAo, לא ניתן לשחזר את מודל קו ה-PT. לכן, חומרים לחקירת סוכנים neuroprotective ספציפיים לנזקים לאחר reperfusion או המנגנונים הבאים reperfusion לא יהיה שימושי כאן8. בנוסף, בשל העלבון המיקרווסקולרי של מודל PT, פנומברה איסכמית קטנה יחסית נראית. במקום זאת, בצקת vasogenic המקומי מתרחשת, וזה לא אופייני לשבץ אנושי, מה שהופך את המודל הזה לא רצוי עבור מחקרי סמים פרה קליניים התמקד באזור peri-אוטם6,8.
המטרה הכוללת של אסטרטגיות ביו-חומרים בשבץ היא לספק סוכנים ביו-אקטיביים או לשמש כמטריצה חוץ-תאית תחליף לצמיחת רקמת המוח. אסטרטגיה אחת שנחקור באמצעות השיטות שלנו היא לספק הידרוג'ל ישירות לתוך ליבת השבץ, בניגוד לרקמת peri-אוטם שבו טיפולים רבים בתא הנוכחי מועברים10. הרציונל לגישה זו הוא כי משלוח לתוך הרקמה הנמקית שנמצאה בליבה תימנע משיבוש הרקמה הבריאה או המתאוששת שמסביב. אנו מניחים דיפוזיה של כל סוכנים פעילים הכלולים בתוך biomaterial יוכל להגיע peri-אוטם מן הליבה, במיוחד מאז אנו מוצאים כי משלוח של biomaterials הידרוג'ל מפחית את עובי צלקת גליה11. זה חשוב מאז אזור אוטם פרי הוכח להפגין neuroplasticity לאחר שבץ, מה שהופך אותו למטרה אטרקטיבית. יתר על כן, משלוח של מטריצה פונדקאית לליבת השבץ יכול להיות טעון עם אנגיוגניים12 או neurogenic13 גורמים כדי להנחות את היווצרות של רקמה חדשה, כמו גם תאים עבור המסירה14. משלוח תאים משופר מאוד באמצעות מטריצה מכיוון שהוא מגן על תאים מפני כוחות ההזרקה הקשים והסביבה המקומית הקיימת במהלך המסירה, כמו גם מעודד בידול וחריטה15.
אלה biomaterials טיפולי להזרקה יש רלוונטיות קלינית ביישומי שבץ, כמו אין כרגע טיפולים רפואיים הממריצים התאוששות עצבית לאחר שבץ. המעגלים העצביים הבסיסיים המעורבים בהתאוששות נמצאים ברקמת המוח הסמוכה לליבת השבץ16, בעוד שליבת השבץ עצמה נטולת רקמה עצבית בת קיימא. אנו צופים כי אספקת biomaterial לתוך ליבת שבץ נמק יש פוטנציאל לעורר את הרקמה הסמוכה לקראת תהליכים רגנרטיביים באמצעות מספר מנגנונים שהוזכרו קודם לכן, כולל שחרור מחסן של גורמי גדילה13, גירוי של רקמה בצמיחה וקידום של התפתחות רקמת המוחמתאוששת 11,12, שינוי של תגובות חיסוניות17, ואספקה של טיפולים שמקורם בתאי גזע14, 18. עם זאת, כדי ללמוד ביעילות את האפשרות של יישומים אלה, שיטה עקבית לשחזור עבור גרימת שבץ והזרקת ביו חומרים. מודל קו PT משתמש בטכניקות המציעות שליטה מדויקת על הכיוון והמיקום של הקו. לייזר המחובר למכשיר הסטריאוטקסי מנחה כיוונים, ומשאבות המחוברות למכשירים הסטריאוטקסיים שולטות בקצב ההזרקה של החומר ללא צורך בצורות נוספות של הדמיה. לכן, בחרנו לתאר את השיטות לביצוע שבץ PT בקליפת המוח המוטורית של עכברים ולהזרקת ביו-חומרים לליבת השבץ. כאן, אנו משתמשים הידרוג'ל חלקיקים מיקרו-נקבוביים (MAP) כמו biomaterial להזרקה ללא תאים הוסיף או גורמי גדילה. בנוסף, אנו מסבירים כיצד לאחזר בהצלחה את המוח עם ביו-חומרים שלמים, ואנו דנים בתוצאות אימונוכימיה המשמשות לניתוח תוצאת השבץ עם ובלי הזרקה של ביו-חומרים.