この原稿では、塩化カルシウムとエラスターゼを使用してマウス腹部大動脈瘤モデルを確立するためのプロトコルを提示し、以前のモデリング方法の利点を組み合わせています。このモデルは、腹部大動脈瘤の根底にある病態生理学的メカニズムを調査するために利用できます。
方法論記事
* These authors contributed equally
この原稿では、塩化カルシウムとエラスターゼを使用してマウス腹部大動脈瘤モデルを確立するためのプロトコルを提示し、以前のモデリング方法の利点を組み合わせています。このモデルは、腹部大動脈瘤の根底にある病態生理学的メカニズムを調査するために利用できます。
腹部大動脈瘤(AAA)は、高い死亡率に関連する生命を脅かす疾患です。これは、動脈径が少なくとも50%増加する腹部大動脈の永久的な拡張を特徴としています。AAAの様々な動物モデルが導入され、病態生理学的変化を模倣し、AAAの根底にあるメカニズムを研究しています。これらのモデルの中で、塩化カルシウム(CaCl2)およびエラスターゼ誘導AAAモデルは、マウスで一般的に使用されています。ただし、これらの方法には一定の制限があります。従来のブタ管腔内膵臓エラスターゼ (PPE) 灌流は、高い技術的困難と高い破裂率に関連していますが、PPE の傍静脈周囲投与では一貫性のない結果が得られます。さらに、CaCl2誘導AAAモデルには、アテローム血栓症や動脈瘤破裂などのヒトAAAの特徴がありません。したがって、CaCl2 とPPEの併用アプリケーションは、AAA動物モデルで成功率を高め、より大きな直径の増加を誘発するアプローチとして提案されています。この原稿は、腹部大動脈の腎下部分におけるPPEおよびCaCl2 の大動脈周囲浸潤を通じてマウスAAAモデルを確立するための包括的なプロトコルを提示します。このプロトコルに従うことで、技術的なシンプルさと再現性で約90%のAAA形成率を達成することができます。さらなる超音波検査および組織学的実験により、このモデルがヒトAAAで観察された形態学的および病理学的変化を効果的に再現することが確認されています。
腹部大動脈瘤 (AAA) は、腹部大動脈の直径が 50% を超えるか、最大大動脈直径が 3 cm を超えることと定義されます。この状態は生命に重大な脅威をもたらし、動脈瘤破裂時の死亡率は約90%です1,2,3。現在、開腹手術による修復と血管内大動脈弁修復術 (EVAR) が、AAA 患者 4,5,6 に対して利用可能な唯一の介入です。しかし、外科的適応がない患者において、動脈瘤形成を阻害したり、腹部大動脈の成長速度を遅らせたりする治療の有効性を裏付けるエビデンスは不十分である7。それにもかかわらず、動脈瘤の最大直径の持続的な監視、血圧制御、抗血小板療法、スタチンなどの非特異的治療は、突然の動脈瘤破裂や潜在的な心血管および神経学的イベントのリスクを可能な限り減らすために使用されます。それにもかかわらず、動脈瘤破裂の予防における抗血小板薬とスタチンの役割は依然として議論の余地があり、さらなる研究が必要です5,7,8,9,10。
AAAの病因を調べるためには、安定なAAA動物モデルが不可欠であり、そのようなモデルを確立するために多くの方法が導入されています11,12,13。現在、塩化カルシウム(CaCl2)、エラスターゼ、アンジオテンシンII(Ang II)、異種移植片、およびトランスジェニックモデルがげっ歯類のAAAモデル11,12,13の確立に使用されている。これらのうち、Ang IIはマウスで最も一般的に使用され、一方、CaCl2およびエラスターゼはマウスおよびラットでも広く使用されている11,12,13,14。Ang II誘発AAAモデルは、ヒトのAAA病理によく似たアテローム性動脈硬化症を誘発できる唯一の動物モデルであり、シンプルで再現性があり、開腹術の必要性を排除します11,12,13。しかし、CaCl2 またはエラスターゼによって誘導されたモデルとは対照的に、Ang II によって誘発された動脈瘤の部位は不確実であり、下行大動脈または上行腹部大動脈で頻繁に観察され、破裂のリスクが高くなります 11,12,13,14。遺伝子欠損マウスにおけるAng II誘導AAAモデルの動脈瘤発生率は100%にもなるが、C57BL/6マウスの39%のみが動脈瘤を発症し、遺伝子欠損マウスの入手にかかる時間と経済的コストは高い13,15。
Gertzらによって最初に導入されたCaCl2は、頸動脈における動脈瘤形成を誘導するために利用され、後にChiouらによって改変され、マウス16,17においてAAAモデルを確立するために改良された。しかし、CaCl2は、弾性線維の破壊、血管の炎症、および細胞外マトリックスの分解を誘発する能力があるにもかかわらず、アテローム血栓症、管腔内血栓(ILT)、動脈瘤破裂など、いくつかのヒトAAAの特徴を欠いています12,18。さらに、大動脈周囲CaCl2アプリケーションの形成速度と直径増加率は不安定なままです13,19。AAAを誘導するための最初のブタ管腔内膵エラスターゼ(PPE)灌流モデルは、1990年にAnidjarらによって開発され、続いてBhamidipatiらのマウスモデルにおける外膜周囲PPE浸潤に関する報告が行われました20,21。今日では、エラスターゼ誘発AAA動物モデルの大部分は、その実現可能性と低侵襲性のためにBhamidipatiのプロトコルを利用しています。ただし、AAAの発生率と最大直径はさまざまであり、一般に大動脈内PPE灌流よりも低いことに注意することが重要です。さらに、エラスターゼの大動脈周囲適用によって誘発された動脈瘤は、自然に治癒する傾向を示します11,12,20,21,22,23。
これらの制限に対処するために、田中らは、ラットにおけるAAAモデルを確立するために、管腔内PPE灌流とCaCl2浸潤を含む組み合わせアプローチを提案し、満足のいく結果をもたらしました24。さらに、Zhuらは、PPE+CaCl2モデルが、単一のPPE群およびPPE+BAPN群の両方と比較して、より高い生存率および増加した動脈瘤形成率などの利点を提供することを実証した25。この組み合わせたアプローチは、優れた安定性と再現性も示します。さらに、Biらは、大動脈周囲CaCl2とエラスターゼインキュベーションの組み合わせにより、ウサギAAAモデルを確立することに成功しました。平均拡張率は5日目±65.3%8.9%で、15日目には86.5%±28.7%にさらに増加し、30日目には203.6%±39.1%に大幅に上昇しました26。ただし、現在、大動脈周囲CaCl2とエラスターゼの適用を組み合わせることにより、げっ歯類にAAAが誘導されたことを報告している既存の文献はありません。
この原稿は、外膜周囲CaCl2 とエラスターゼ浸潤の併用によりマウスAAAモデルを確立するための標準プロトコルを提示します。次のセクションでは、詳細な外科的手順を提供し、マウスAAAモデルの代表的な結果を示します。
動物実験プロトコルは、National Institute of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals(NIH Pub No. 86/23, 1985)に準拠し、四川大学西中国病院の動物管理委員会によって承認されました(承認番号202311300012)。この研究では、8〜10週齢のC57/B6J雄マウスを使用しました。使用した試薬や機器の詳細は 、資料表に記載されています。
1. 術前準備
2.外科的処置
3.超音波検査
4. 腹部大動脈採取と病理実験
この研究では、合計24匹のマウスが含まれ、ランダムに割り当てられました:それぞれShamグループに12匹、PPE + CaCl2 グループに12匹。すべてのデータは、特に明記されていない限り、平均±標準偏差として示されています。平均運転時間は55.67分±4.08分でした。術中の死亡や動脈瘤の破裂はなく、術後21日以内の生存率は100%でした。腹部大動脈解離に関連する重度の腸癒着や合併症は観察されませんでした。
PPE+CaCl2 群では、手術後21日でマウス12匹中11匹(91.67%)がAAAを発症したが、シャム群では動脈瘤形成は観察されなかった。腎下腹部大動脈の平均最大内径は、PPE + CaCl2 群で1.29 mm±0.18 mmであったのに対し、Sham群では0.50 mm±0.04 mmでした。PPE + CaCl2 群における腎下腹部大動脈の内径の平均増加率は99.50%±25.42%であった。平均最大外下大動脈径は、PPE + CaCl2 グループで 1.49 mm ± 0.19 mm であったのに対し、シャム グループでは 0.61 mm ± 0.04 mm でした。
実体顕微鏡と超音波下でのShamおよびPPE + CaCl2群の腹部大動脈の代表的な画像を図1A、Bに示しました。PPE + CaCl2群とSham群における平均腎下腹部大動脈の最大内径と外径の統計解析結果を図1C,Dに示した。H&E染色によるさらなる組織学的検査では、PPE + CaCl2群では大動脈壁の肥厚と炎症細胞の浸潤が明らかになりました。一方、マッソンのトリクローム染色では、大動脈壁における細胞外マトリックスの分解とコラーゲン線維の沈着が見られました。EVG染色では、弾性繊維の破壊が実証されました(図1E)。

図1:外膜周囲CaCl2 とエラスターゼ浸潤によって確立されたマウスAAAモデルの転帰。 (A)実体顕微鏡下での正常な腹部大動脈とAAAの代表的な画像。(B)シャムおよびPPE + CaCl2 グループにおける腹部大動脈の横方向および縦方向の超音波画像。(C) 偽およびPPE + CaCl2 グループにおける腎下腹部大動脈の最大内径の統計分析、****p < 0.0001。(D) シャムと PPE + CaCl2 群の外部腎下大動脈径の比較、****p < 0.0001。(E)腹部大動脈のH&E、Masson、およびEVG染色画像。スケールバー:50μmこの 図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
AAAの分子メカニズムの研究には、安定した動物モデルが必要です。その結果、1960年代にEconomouらによって最初に開発されて以来、数多くのAAA動物モデルが確立されてきた29。これらのモデルの中で、CaCl2は、その費用対効果、技術的な単純さ、および信頼性の高い再現性のために、げっ歯類に頻繁に採用されています。しかし、血管周囲CaCl2浸潤はAAAの確立において不安定であることが示されています。BiらおよびFreestoneらは、AAA形成の基準が腹部大動脈の正常部分と比較して20%の増加と定義された場合でも、ラットの約60%のみがAAAを発症したことを報告した。どちらの研究も、0.5 mol/L CaCl2を大動脈周囲に1回インキュベートした後、動脈瘤の形成が観察されなかったことを指摘しました13,19,26,30。
さらに、CaCl2浸潤の最適濃度、曝露時間、および追跡期間11に関する既存の文献では、現在のところコンセンサスはありません。そのため、エラスターゼ誘導AAAモデルは、AAAの研究に2番目に一般的に使用されるげっ歯類モデルです。ただし、大動脈内 PPE 注入は、最大で 40% の周術期および術後の高い死亡率と関連しています。さらに、PPE による AAA モデルでは顕著な性別の不一致が観察されており、雌マウスは雄マウスと比較して大動脈径の増加率がはるかに低くなっています 11,20,25,31,32,33。
これらの制限に対処するために、血管周囲エラスターゼ浸潤を含むエラスターゼ誘発AAAモデルの修正版が、実現可能で侵襲性の低い代替手段として導入されました。ただし、このアプローチを使用した動脈瘤の形成速度と直径は、管腔内 PPE 灌流 11,12,21,22 よりも不安定であったことに注意する必要があります。したがって、研究者らは、ウサギにおけるAAAを確立するために、外膜周囲CaCl2とエラスターゼインキュベーションの組み合わせを提案し、これは単純で、効果的で、再現性が高いことが示されている26。
一方、別の研究では、PPE灌流とCaCl2 インキュベーションを組み合わせることにより、ラットでAAAモデルを確立し、PPE+CaCl2 モデルが高い生存率、高い動脈瘤形成率、および良好な再現性を有することを実証しました25。ただし、現在、大動脈周囲PPE + CaCl2 浸潤を使用してマウスのAAAを確立する方法とその結果に関する文献はありません。
この記事は、このプロトコルを使用した AAA 発生率と大動脈直径パーセンテージの増加が、超音波検査と組織学検査によって確認されたように、周術期の死亡なしに安定していたことを示しています。さらに、このプロトコルは、ヒトAAAで見られるものと同様の形態学的および病理学的変化を効果的に誘導します。さらに、このプロトコルの平均操作時間は、15分間のCaCl2 浸潤と15分間のPPEインキュベーションを含め、1時間未満に制限されていました。この外科的プロトコルは堅牢で、すぐに入手できる材料を使用して簡単に実装できます。これらの利点は、将来の基礎研究への応用の可能性を示唆しています。
PPE または CaCl2 誘導 AAA 動物モデルでは動脈瘤の発生率に不一致があり、現在の化学的に誘導されたモデルは AAA 11,12,13 の確立に 100% の成功率を保証することはできません。慢性炎症、内膜/中膜厚、弾性破壊、石灰化、および管腔内血栓などのAAAに関連する病理学的変化は、PPEまたはCaCl2浸潤後に観察できるが、大動脈の拡張または動脈瘤の形成は、化学的適用期間が限られており、刺激が停止すると継続的な活動を提供しないため、自然に治癒する傾向がある可能性がある12。23.さらに、AAAを確立するための外科的処置は完全に標準化することはできず、腹部大動脈の曝露範囲にばらつきが生じる可能性があり、動脈瘤の形成に影響を与える可能性があります。しかし、モデリングが失敗したマウスでも、腹部大動脈の直径は依然として44%の有意な拡大を示しており、この方法は必ずしも腹部大動脈瘤の診断基準を満たさない可能性があるが、腹部大動脈の大幅な拡大を誘発できることを示しています。
特に重要なのは、このプロトコルにはいくつかの重要なステップが関与していることです。何よりもまず、マウスAAAモデルの確立中に腹部下大動脈を適切に露出させることが不可欠です。腹部大動脈を取り巻く結合組織と脂肪組織の分離を最大化すると、CaCl2とエラスターゼの腎下腹部大動脈の中間層への浸潤が促進され、それによって動脈瘤形成速度が増加する22。さらに、CaCl2浸潤後に結合組織と脂肪組織を分離することが容易になる場合があります。したがって、周囲の組織の初期解剖が十分でない場合は、CaCl2浸潤後も腹部大動脈に隣接する結合組織を分離し続けることが推奨される。しかし、腹部大動脈を露出させることは、腰部動脈や静脈を損傷する固有のリスクを伴い、手術中または手術後に重度の出血や致命的な結果につながる可能性があります。したがって、腹部大動脈の周りの結合組織と脂肪組織を切除する際には、細心の注意を払う必要があります。このプロトコルのもう 1 つの重要なステップは、腹部大動脈を下大静脈 (IVC) から分離することです。以前の研究と実験結果は一貫して、腹部大動脈からIVCを解剖するかどうかは動脈瘤形成に影響を与えないことを示しており、この手順では不要になります18,22。
この研究にはいくつかの制限があります。まず、動脈瘤の発生率と腹部大動脈のさまざまな時点での病理学的変化に関するベースラインデータが不足しています。さらに、MMP2、MMP9、TIMP1、SMAなど、AAAの発生に関与する重要なバイオマーカーのレベルは評価されていません。第二に、この方法はこれまでマウスで利用されておらず、動脈瘤の形成と病理学的特性を評価するために、他の一般的に使用されるモデル、特にPPEまたはCaCl2 のみを含むモデルとの横断的比較が不足しています。第三に、この方法によって誘発されるAAAは、アテローム性動脈硬化症や壁内血栓症など、ヒトAAAのいくつかの特徴を欠いています。さらに、この方法で使用されるCaCl2 とエラスターゼの濃度、および浸潤時間は、以前の研究で採用されたものとはわずかに異なります。著者たちは、将来の研究で実験的調査を通じてこれらの問題に取り組むことを目指しています。
このプロトコルのもう一つの制限は、ブタやイヌなどの大型動物モデルに適用できることです。現在、エラスターゼ、コラゲナーゼ、CaCl2などの個々の化学薬品は、ウサギを除く非げっ歯類で腹部大動脈の50%拡張を誘導する能力を示していません。化学物質と血管形成術または他の外科的処置の組み合わせのみが、犬および豚の動脈瘤形成を誘発する可能性を示している11,34。以前の研究では、動脈瘤が 5 か月の追跡期間中に再生の兆候を示したことも示されています エラスターゼ35 によって誘導されたウサギ AAA モデルで。Biらは、このプロトコルを使用してウサギにおけるAAAの誘導を実証したが、その有効性および長期的転帰をブタまたはイヌで決定するためには、さらなる研究が必要である26。
最後の制限は、エラスターゼを使用して雌マウスにAAAを誘導すると、動脈瘤形成率および大動脈拡張率11,13,33,36の低下と関連しているため、雄マウスのみを含めることに関するものである。しかし、Xueらによる研究では、エラスターゼ単独の血管周囲適用により、雌マウスのAAAの発生率が90%になることが実証されています。これは、このプロトコルが雌マウス22にも有効である可能性があることを示唆していますが、その有効性を確認するためにはさらなる研究が必要です。血管構造および弾性繊維への損傷は、CaCl2およびエラスターゼが浸潤した側でのみ発生し、下大静脈(IVC)に隣接する側には病理学的変化が現れないことに注意することも重要である。ただし、前述のように、これらの要因は、AAAの発生率やAAA発症中の腹部大動脈サイズの増加率に影響を与えません。
結論として、この原稿は、AAAの高い発生率、腹部大動脈の有意な拡張、およびヒトAAAで観察されるものに似た病態生理学的変化を示す、新しく、安全で、安定していて、再現性のあるマウスAAAモデルを提示しています。その制限にもかかわらず、このマウスAAAモデルは、AAAの根底にある分子メカニズムを調査し、この状態の患者に対する効果的な治療アプローチを開発するための大きな可能性を秘めています。
著者らは、この研究は、潜在的な利益相反と解釈される可能性のある商業的または金銭的関係がない状態で実施されたと宣言します。
本研究は、中国国家自然科学基金会(81770471年82300542号)、四川科学技術プログラム(No.2022YFS0359、2019JDRC0104)、四川大学華西病院博士研究員プロジェクト(No.2023HXBH108)の支援を受けて行われました。資金提供機関は、研究のデザイン、データの収集、分析、解釈、および原稿の執筆に何の役割も果たしませんでした。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 麻酔器 | RWD | R550 | |
| Butorphanol | 江蘇恒瑞製薬株式会社 | 220608BP | 1ml:1mg |
| C57BL / 6JGpt雄マウス | GemPharmatech | N000013 | |
| 塩化カルシウム | グマAldrich | C4901 | 100 g |
| カルプロフェン | MCE | HY-B1227 | 100 mg |
| Chowダイエット | ドッシー実験動物 Co.Ltd | ||
| デジタルキャリパー | グリーナー | IP54 | |
| エタノール | 金河製薬 Co.Ltd | 539682 | 75%/500 mL |
| EVG 染色キット | ソーラーバイオ | G1597 | |
| GraphPad プリズム | グラフパッド | Ver 9.0.0 | |
| H&E染色キット | Servicebio | G1076 | |
| インスリンシリンジ | BD | 2143420 | |
| イソフルラン | RWD | R510-22-4 | 100 mL |
| マッソン染色キット | Servicebio | G1006 | |
| 生理食塩水 | Servicebio | G4702 | 500 mL |
| パラホルムアルデヒド | バイオシャープ | BL539A | 4%/500 mL |
| PBS、1x | Servicebio | G4202 | 500 mL |
| タ膵臓エラスターゼ | シグマアルドリッチ | E1250 | 100 mg |
| ポビジンヨウ素 | ヨンガン製薬 Co.Ltd | 5%/100 mg | |
| プロレンポリプロピレン縫合糸 | Ethicon LLC | 8709H | |
| げっ歯類超音波システム | 富士フイルム | Vevo 3100LT | |
| 実体顕微鏡 | オリンパス | SZ61 | |
| 超音波カプラント | ケプ | ラーKL-250 | 250 g |
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