このプロトコルは、総頸動脈を介した中大脳動脈閉塞再灌流の準備プロセスを説明しています。
このプロトコルは、総頸動脈を介した中大脳動脈閉塞再灌流の準備プロセスを説明しています。
中大脳動脈閉塞再灌流(MCAO/R)モデルは、脳卒中の病理学的メカニズムを理解し、医薬品開発に不可欠です。しかし、一般的に使用されているモデリング手法の中で、小泉法は総頸動脈(CCA)の結紮と適切な再灌流を達成できないため、しばしば精査に直面します。同様に、ロンガ法は、外頸動脈(ECA)を切断して結紮することで批判されてきました。この研究は、ECAの完全性を維持する修正モデル調製方法を紹介することを目的としており、CCAを介してモノフィラメントナイロン縫合糸を挿入し、結紮されたCCA切開を修復し、CCAからの再灌流を維持します。血流の再灌流は、レーザースペックルフローイメージングを用いて確認した。ロンガスケール、修正神経重症度スコア、塩化トリフェニルテトラゾリウム(TTC)染色、ニューロンの免疫蛍光標識などの評価方法は、このアプローチが安定した虚血性神経損傷を誘発できることを実証しました。この修正されたMCAO/Rモデルプロトコルはシンプルで安定しており、脳虚血の分野の開業医に貴重なガイダンスを提供します。
世界保健機関(WHO)によると、脳卒中は過去10年間、世界で2番目に多い死因であり続けており、高い発生率、高い死亡率、高い障害率1,2。世界人口の高齢化に伴い、脳卒中の発生率は発展途上国で増加すると予想されており、成人の早期死亡や障害の主な原因になる可能性があります。さらに、脳卒中は3歳未満で発生する傾向があります。脳卒中による労働力の喪失は、家族や社会にも大きな負担をかけています4。そのため、脳卒中研究において、安全で効果的な治療法の開発は大きな課題となっています。
動物モデルは、ヒトの疾患の予防と治療を研究するための重要なツールとして機能します。脳卒中治療戦略の翻訳が成功するかどうかは、脳卒中動物モデルの再現性と信頼性にかかっています5,6。中大脳動脈(MCA)は臨床脳梗塞の一般的な部位であり、MCAOモデルはヒトの虚血性脳卒中に最も近いモデルとなっています。縫合法を使用して調製されたMCAOモデルは、開頭術が不要で虚血時間の制御が容易であるなどの利点により、研究者に好まれています。これは、神経保護実験の40%以上で利用されています7。しかし、その多くの利点にもかかわらず、このモデルの運用上の詳細は、多くの研究者にとって物議を醸すトピックのままです。
縫合糸誘発中大脳動脈閉塞 (MCAO) モデルでは、縫合糸を抜くことで再灌流が行われます。現在、縫合糸の挿入には、コイズミの方法8 とロンガの方法9の2つの主要な方法が使用されています。小泉氏の方法では、縫合糸は主に総頸動脈(CCA)切開部から内頸動脈(ICA)に入りますが、ロンガ氏の方法では、切断された外頸動脈(ECA)を通過してICAに入ります。再灌流中、小泉法はCCA切開部を永久にライゲーションする必要があり、再灌流10についてはウィリスの円に依存する。ただし、一部の研究では、CCA供給を失った後、ウィリスの円の代償供給だけでは効果的な再灌流を達成できないことが示唆されています。さらに、ウィリスの輪は、特にC57Bl/6マウスで高い解剖学的変動性を示し、梗塞の変動性を高め、実験データの信頼性を低下させます。その結果、この方法は研究者によってますます疑問視されています11。
Longaの方法は、切断されたECAに縫合糸を挿入し、縫合糸が抜かれたら内頸動脈(ICA)を永久に結紮することを含みます。これにより、CCAの開存性が維持され、ベースライン値の100%までの血液灌流が可能になります。しかし、この方法では、外頸動脈と小さな動脈枝を分離したり、切り取ったり、電気凝固させたりする必要があるため、手続きが難しくなります。また、臨床患者の状態とは異なる脳の完全な血流構造を混乱させます12。重要なことに、ECAの切断または結紮は、咀嚼と嚥下を制御する筋肉に虚血性病変を引き起こし、動物の食事に影響を与え、ラット13,14の術後動物の死亡と重度の感覚および運動障害につながる可能性があることを研究が示しています。
したがって、これらの問題に対処するためには、修正されたモデル準備方法が緊急に必要とされています。本研究では、CCA挿入切開部を修復し、効果的な再灌流を実現する修正MCAOモデリング法を紹介する。この処置は、シンプルで実用的、かつ実現可能であり、重大な神経学的損傷と再現可能な梗塞病変を誘発し、脳卒中研究者に貴重なガイダンスを提供します。
実験プロトコルは、成都中医薬大学の実験動物の使用および施設用動物管理および使用委員会のガイドラインに準拠して実施されました(記録番号:2019-DL-002)。すべての動物実験データは、ARRIVE(Animal Research: Reporting In Vivo Experiments)ガイドラインに従って文書化されています。この研究では、体重250g±20g、生後6〜8週齢の雄のSprague Dawley(SD)ラットを利用しました。使用する動物、試薬、および機器に関する詳細は、 資料表に記載されています。
1.動物の調理
2. MCAの閉塞
3. MCAOの再灌流
4. 神経機能の評価と脳虚血性損傷

レーザースペックルフローイメージングにより、モノフィラメントナイロン縫合糸の閉塞前に、中大脳動脈(MCA)領域に豊富な血流があり、ラットのベースライン血流値が記録されたことが示されました。MCAの閉塞後、脳の虚血側の血流値は急速に減少しました。縫合糸を抜く前に、虚血側の血流値を再確認して、縫合糸がMCAを閉塞しているかどうかを確認しました。結果は、血流のわずかな変化のみを示しました。縫合糸を抜くと、血流の灌流は急速に回復しました(図2)。 ビデオ1 は、総頸動脈の堅牢な充填パルスも示しており、この方法が脳虚血後の十分な血流灌流を達成できることを示唆しています。
神経機能スコアの結果(図3)から、偽手術群と比較して、モデル群のロンガスコアは1.80 ± 0.27(p < 0.05)、mNSSスコアは7.4 ± 0.89(p < 0.05)であったことが明らかになりました。これらのスコアは、この方法を使用して調製された中大脳動脈閉塞/再灌流 (MCAO/R) モデルが重大な神経学的損傷を引き起こしたことを示しています。 動画2 は、脳卒中による傷害の特徴である、モデル群ラットが這いながら回転する特徴的な行動を示しており、この手法の妥当性をさらに確認しています。
TTC染色により、モデル群ラットの梗塞率は5.58±1.79(p < 0.05)であり、梗塞領域は主に線条体と皮質に影響を及ぼし、梗塞の大きさは比較的安定していることが示されました。免疫蛍光染色は、虚血再灌流後の皮質ニューロンの喪失を示しました(図4)。これらの知見をまとめると、この手法は前臨床薬効の評価に適した安定したMCAO/Rモデルを確立できることを示しています。

図1:CCAのコネクタライゲーションの概略図。 黄色の円はワイヤープラグの挿入点と結紮部位を示し、結紮位置(黄色の矢印)は総頸動脈(CCA)がワイヤーで結紮された場所を示します。 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。

図2:虚血性側のラットの閉塞前、閉塞後、および再灌流前および再灌流後のラットの時のレーザー斑点血流画像(A)ラットの脳血流画像で、青色の領域は低血流値を示し、赤色の領域は高血流値を示します。スケールバー:200mm.(B)ラットの脳虚血再灌流の変化、平均±標準偏差として示され、サンプルサイズはn = 5です。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。

図3:偽群とモデル群の梗塞領域と神経機能スコアの結果 (A)TTC染色は、偽群とモデル群の両方で脳組織の梗塞領域を示しており、白い領域は梗塞組織、赤い領域は正常組織を示しています。(B)LongaスコアとmNSSスコアの定量的結果と梗塞率を示します。偽グループと比較した統計的有意性は、サンプルサイズがn = 5の場合、*p < 0.05で表されます。 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。

図4:偽群とモデル群における皮質ニューロン損傷の結果。 皮質ニューロンにおけるNeuN(A)、DCX(B)、およびMAP-2(C)の発現。スケールバー:100μm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。

図5:小泉、ロンガ、および修正された方法によるMCA閉塞および再灌流の図。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。
| モーターテスト/ストロング> | ポイント |
| 尻尾でネズミを育てる | 3 |
| 1 前肢の屈曲 | |
| 1 後肢の屈曲 | |
| 1 ヘッド>30秒以内に垂直軸に10°移動 | |
| ネズミを床に置く | 3 |
| 0 ノーマルウォーク | |
| 1 まっすぐ歩けない | |
| 2 麻痺側に向かって旋回する | |
| 3 麻痺側に倒れる | |
| 官能検査 | 2 |
| 1 配置テスト(視覚および触覚テスト) | |
| 2固有受容性テスト(深い感覚、テーブルの端に足を押す | |
| 四肢の筋肉を刺激する) | |
| ビームバランス試験 | 6 |
| 0 安定した姿勢でバランスを取る | |
| 1 ビームの把持側 | |
| 2 ビームを抱きしめ、片方の手足がビームから落ちる | |
| 3 ビームを抱きしめ、2本の手足がビームから落下するか、ビーム上で回転する(>60秒) | |
| 4 ビームでバランスを取ろうとするが、脱落する(>40秒) | |
| 5 ビームでバランスを取ろうとするが、脱落する(>20秒) | |
| 6 フォールオフ:バランスをとったり、ビームにしがみついたりしようとしない(<20秒) | |
| 反射神経の欠如と異常な動き | 4 |
| 1 耳介反射(耳道に触れると頭が振る) | |
| 1 角膜反射(綿で角膜に軽く触れるとまばたき) | |
| 1 驚愕反射(クリップボードの紙をパチンと鳴らすときの短い音に対する運動反応) | |
| 1 発作、ミオクローヌス、筋オジストニー | |
| 最大ポイント数 | 18 |
表1:修正された神経学的重症度スコア。
| Zea-Longaのスコア | |
| スコア | 症状 |
| 0ポイント | 神経学的障害がない |
| 1ポイント | 軽度:尻尾を持ち上げると右前足を完全に伸ばすことができない |
| 2ポイント | 中程度:歩くときに右/左に円を描く |
| 3ポイント | 重度:歩行時に右/左に転倒する |
| 4ポイント | 意識を失い、自発的に歩くことができない |
表2:Zea-Longaのスコア。
ビデオ1:ラットの再灌流中のCCA切開の結紮修復のための重要なステップ。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
ビデオ2:MCAO / Rを受けているラットの行動ビデオ。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
モノフィラメントナイロン縫合糸によって誘発される中大脳動脈閉塞(MCAO)モデルは、MCAOモデルの準備に使用される最も一般的な方法です。このアプローチは前臨床試験で広く採用されており、そのシンプルさ、開頭術の必要性の欠如、最小限の外科的外傷、および再灌流を達成する能力により、多くの開業医から認められています。
管腔内フィラメントMCAOには、小泉法8 とロンガ法9の2つの古典的な外科的技術があります。これらの方法の主な違いは、MCAを閉塞するために縫合糸をどのように導入するかにあります。小泉法では、総頸動脈(CCA)切開部から内頸動脈(ICA)に縫合糸を挿入します。縫合糸の前端は、MCAの開始点をブロックするためにシリコンでコーティングされています。逆に、ロンガ法では、切断された外部頸動脈(ECA)を介して縫合糸がICAに挿入されます。縫合糸の前端は、MCAの始点をブロックするために球状に拡張されます(図5)。再灌流時には、縫合糸を穏やかに引き抜き、血流を回復させます。
ロンガ法では、切断された外部頸動脈(ECA)を介して内頸動脈(ICA)に縫合糸を導入します。このプロセスでは、ECAの分離と切断、および小さな枝の分離と除去が必要であり、その後、出血を防ぐために電気凝固ペンを使用して切断されます。したがって、この方法では慎重かつ正確な操作が必要です。さらに、切断されたECAの残留端が短いため、挿入中に縫合糸が滑り落ちやすくなり、手順の複雑さがさらに増します。この課題は、脳虚血のマウスモデルを準備する際に特に顕著で、精度を確保するために顕微鏡を使用する必要があることが多く、操作の全体的な複雑さが増します。
小泉法の主な関心事は、総頸動脈(CCA)の結紮にあり、これにより、ウィリスの輪を介して虚血側の脳組織の代償性再灌流がもたらされます。CCAは、心臓から大動脈弓の重要な枝であり、脳血流灌流を供給する主要な動脈として機能します。そのため、小泉法で作製した脳虚血再灌流モデルは、しばしば低灌流状態になります。この低灌流は中大脳動脈領域に限定されず、同じ側の虚血性半球全体に広がっています。35日間のモデリング後も血流値はベースラインに戻らないことから、小泉法は虚血再灌流モデルではなく、慢性低灌流の虚血モデルと見なすべきであることが示唆されている10。
これに対し、ロンガ法では、MCAO/R動物では100%の血流値を達成することができます。ただし、完全な再開通を達成することは、必ずしも小泉法を放棄する必要があるわけではないことに注意することが重要です。臨床翻訳を検討する場合、動脈閉塞後に自然にゆっくりとした再開通が起こる患者には、小泉法の方が適している可能性があります。ただし、この現象は臨床現場では比較的まれです。虚血性脳卒中患者のごく一部だけが血栓溶解の基準を満たし、治療時間枠内で効果的な治療を受けます20,21。さらに、血栓溶解療法後も完全な血行再建術を達成しない患者もいます22。したがって、コイズミ法は、そのような患者の状態をシミュレートするために利用することができます。
一方、ロンガ法は、閉塞後に血管が迅速に再開通することができるため、臨床現場で効果的な血栓溶解療法や血栓摘出術を受ける患者のシミュレーションに適しています。血栓溶解療法を受けていない患者をシミュレートするために、小泉法によって調製された永久脳虚血モデルは、より完全な閉塞とより簡単な外科的処置を提供する可能性があります。
中大脳動脈閉塞/再灌流(MCAO/R)を誘導するためのロンガ法は、総頸動脈(CCA)由来の血管再開通を温存することにより、より重大な再灌流障害を引き起こす可能性がある23,24。ただし、ロンガ法では外頸動脈(ECA)を切断して永久に結紮する必要があり、これは脳の完全な血流構造を乱し、臨床患者と一致しないことに注意することが重要です。さらに、舌動脈、上顎動脈、および後頭動脈はECA13の枝です。したがって、ECAを切断または恒久的に結紮すると、摂食障害を引き起こし、体重減少をもたらす可能性がある25。以前の研究では、MCAOモデリング後のマウスの死亡は、脳虚血性損傷14,26ではなく、主に不適切な食物または水分摂取によるものであることが示されています。さらに、ECAのライゲーションは、網膜の血流を減少させ、細胞死の形で網膜損傷を誘発することができる27。
さらに、脳卒中研究の最も重要な指標は梗塞の量です。しかし、縫合法によって誘発される梗塞の量は、厳格な外科的およびデータ収集プロトコルに従っても、有意な標準偏差を持つことが証明されています。これまでの報告では、梗塞量は再灌流の程度と関連しており28、小泉法で作製した脳卒中モデルの再灌流はウィリス循環に依存していた29,30,31。しかし、ウィリスサイクルは解剖学的に高い変動性を有することが証明されており、特にC57Bl/6マウスでは、動物の90%が1つまたは2つの後部連通動脈32を欠いている可能性があり、これが虚血性損傷33の高い変動性の主要な決定要因である。したがって、CCAの灌流を維持することで、梗塞容積の変動性を減らすことができる34。脳卒中試験における梗塞サイズの変動の平均係数は29.5%であったと報告されており31、これが脳卒中試験の統計的検出力が低い一因となった。また、創薬の可能性に対しても大きな課題となっています。これにより、開発や臨床応用のコストが増加することは間違いありませんし、研究者が効果的な可能性のある医薬品を見逃すことにもなりかねません。また、実験の統計分析に含める動物の数も増え、動物倫理の3R原則にさらに違反します。
そこで、本研究では、脳組織の血流構造の完全性と脳虚血後の十分な再灌流を確保するために、モデリング手法を改良しました。主な変更には2つのステップが含まれます:(1)小さな切開を行う代わりに、5mLのシリンジ針を使用して縫合糸をCCAに挿入します。このステップは、CCAの切開を減少させ、切開を結紮するのをより助長します。(2)縫合糸を抜くと、CCAの血流灌流に影響を与えることなく、CCAの針の開口部を結紮するために細い絹糸を使用します。もちろん、これも慎重な外科手術が必要ですが、ECA による 縫合糸の導入とは異なります。この方法は、脳血流構造の完全性を維持しながら、CCAを通じて血流を完全に再灌流することができるため、操作手順が簡単になり、梗塞量のばらつきが減少します。一部の研究者は、組織接着剤で切開部を修復するために同様の研究方法を使用していますが、これは血栓症の可能性があり、制御不能な影響をもたらします。そして、切開部を安定させるのに時間がかかる25。
結論として、この研究は、フィラメント抜去後の適切な血液灌流を可能にし、大幅に再現可能な梗塞量と神経学的損傷をもたらす可能性のある脳虚血再灌流モデルの調製に対する修正されたアプローチを提供します。上記のすべての結果は、修正された方法が実行可能で再現性があることを示しており、開業医が脳虚血薬の効果的な臨床翻訳を促進するためのモデルを準備するための参照を提供する可能性があります。
この研究は、中国国家自然科学基金会(82173781および82373835)、ポスドク研究プロジェクト(BKS212055)、佛山科学技術局の科学技術イノベーションプロジェクト(2320001007331)、広東省基礎応用基礎研究基金会(2019A1515010806)、広東省の一般大学の主要フィールドプロジェクト(インテリジェント製造)(2020ZDZX2057)、および一般科学研究プロジェクト(特性イノベーション)の支援を受けました。広東省の大学(2019KTSCX195)。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 動物麻酔システム | Rayward Life Technology Co., Ltd | R500IE | |
| 動物温度維持剤 | Rayward Life Technology Co., Ltd | 69020 | |
| Cy3 二次抗体 | Wuhan Saiweier Biotechnology Co., Ltd | GB21303 | |
| DAP1 | Wuhan Saiweier Biotechnology Co., Ltd | G1012 | |
| DCX抗体 | 武漢Saiweierバイオテクノロジー株式会社 | GB13434 | |
| ヤギ血清 | Beyotime Biotechnology Co., Ltd | C0265 | |
| GraphPad Prism | GraphPad Software | GraphPad Prism 8.0 | |
| ImageJ | 国立衛生研究所 | ImageJソフトウェア | |
| Isofluran | Rayward Life Technology Co., Ltd | R510-22 | |
| レーザースペックル血液フローイメージングシステム | Rayward Life Technology Co., Ltd | PeriCam PSI NR | |
| MAP-2 antibody | Wuhan Saiweier Biotechnology Co., Ltd | GB11128 | |
| ミニチュアハンドヘルドスカルドリル | Rayward Life Technology Co., Ltd | 87001 | |
| モノフィラメント縫合 | Rayward Life Technology Co., Ltd | 250-280g | |
| NeuN antibody | Wuhan Saiweierバイオテクノロジー(株 | GB11138 | |
| OCT包埋剤 | バイオシャープ | BL557A | |
| ペニシリンナトリウム | 成都克龍化学(株) | 17121709-2 | |
| 凍結切片用迅速抗原賦活化溶液 | Beyotime Biotechnology Co., Ltd | P0090 | |
| SD rats | SPF ( Beijing ) Biotechnology Co.,Ltd. | 250-280g | |
| Triton X-100 | Beyotime Biotechnology Co., Ltd | ST795 | |
| TTC | Chengdu Kelong Chemical Co., Ltd. |
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