このプロトコルは、ラットにおける最適化された60分間中大脳動脈閉塞(MCAO)技術を示しています。このプロトコルはマルチモーダル手法を用いて検証されており、87.5%の成功率と最小限の死亡率、脳卒中研究における梗塞および行動の再現性のあるアウトカムを得ています。
方法論記事
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このプロトコルは、ラットにおける最適化された60分間中大脳動脈閉塞(MCAO)技術を示しています。このプロトコルはマルチモーダル手法を用いて検証されており、87.5%の成功率と最小限の死亡率、脳卒中研究における梗塞および行動の再現性のあるアウトカムを得ています。
ラット中脳動脈閉塞(MCAO)モデルは、虚血性脳卒中の病態生理を解明し、神経保護療法の検証を目的とした基準として依然として存在しています。しかし、微妙な手術の逸脱は、梗塞量や行動の結果を大きく変えることがあります。「可視化→体系化」の枠組みを用いて、モデル確立と検証の各ステップを再検討しました。解剖学的な向きとフィラメント配置の標準化のために、主要な外科的ランドマークや重要な手順の詳細な写真記録が行われました。2,3,5-トリフェニルテトラゾリウム塩化物(TTC)染色を用いて、再灌流後24時間および72時間後の梗塞の体積とトポロジーを正確にマッピングしました。神経学的欠損はZea-Longa、Bederson、修正Garciaスケールで評価されました。24匹のオスのスプラグ・ドーリーラットは60分間の一時的なMCAOを受けました。24時間および72時間で梗塞量と神経学スコアが評価されました。約87.50%の動物が脳血流遮断(Zea-Longa ≥1および明確なTTC定義梗塞)を達成し、全体の死亡率は12.50%で、モデルの高い忠実度を証明しています。この標準化されたプロトコルは、前臨床脳卒中研究の技術的に洗練され再現可能な基盤を提供し、脳卒中の病態生理学および治療的介入を調査する研究における研究室間の一貫性を促進します。
脳卒中は世界で2番目に多い死因であり、世界で3番目に多い障害原因です1,2。脳卒中は低・中所得国に不均衡に影響を及ぼし、平均して高所得国より15年早く発症します。主な2つのタイプは虚血性脳卒中(85%)と脳内出血(15%)です。脳卒中の大多数を占める虚血性脳卒中は、脳血流の遮断が原因で、細胞死や脳梗塞を引き起こします。虚血カスケードは複数の生化学的イベントを含み、重要な酸化促進過程5,6。
広範な前臨床および臨床的努力にもかかわらず、効果が証明された治療法はごくわずかであり、特に組織プラスミノゲン活性剤を用いた静脈内血栓溶解術や機械的血栓切除術が挙げられます。これらの治療は治療期間が狭く、患者選択基準も厳格です。したがって、虚血性損傷、神経血管修復、脳卒中後の回復の細胞および分子メカニズムを解明することが緊急に求められています。再現性があり臨床的に関連性の高い動物モデルは、この目標を達成するために不可欠です。
中大脳動脈閉塞(MCAO)モデルは、齧歯類の虚血性脳卒中を探るために広く用いられています。イントラルミナルフィラメント閉塞法は、MCAO技術の中でも最も古典的かつ広く使われているものの一つです。この技術は頭蓋切除術を必要とせずに、永久閉塞と一過性閉塞の両方をモデル化できます。血管内ワイヤーを用いた新しい経大腿骨技術は、ラットにおいて一時的なMCAOを誘発する可能性を示し、より一貫した結果をもたらすことが示されています10。このモデルは、通常、内腔内フィラメント技術11を用いて中大脳動脈を閉塞します。MCAOは局所性脳低灌流を引き起こし、虚血および再灌流損傷を引き起こします12。
MCAOは脳卒中の病態生理や治療法の研究に有用ですが、病変容積が変動することがあります7。したがって、再灌流技術の洗練、標準化された運用プロトコルの確立、統一評価基準の開発など、MCAOモデルの改善により、梗塞部位や体積の変動を減らし、虚血性脳卒中研究における有用性が高まります。
このプロトコルは、一貫した結果を得るために約10〜15回の手術を学習する必要があります。13。成功率はオペレーターの経験やラット株によって異なる場合があります。このモデルは急性虚血性脳卒中の研究に適していますが、高血圧や糖尿病などのヒトの併存症を完全に再現できるとは限りません。それに伴い、標準化された手順と厳格な品質管理措置を通じて実験の変動を減らすことを目的とした最適化されたMCAOプロトコルを考案し、厳密に検証することを目指しました。標準化とデータ信頼性の二重向上を達成するために、4つの補完的な革新が統合されました。(1) 二重時間点の縦断評価—Zea-Longa、Bederson、Modified Garciaスケールの神経学スコアを、再灌流後24時間および72時間後に2,3,5-トリフェニルテトラゾリウム塩化物(TTC)由来の梗塞体積と並行して取得し、浮腫の解消と機能回復の時間的関係を明確にした;(2) 三重スケールクロスバリデーション—盲検二重調査者スコアリングと統合トライスケール比較により、行動評価の感度と精度が大幅に向上した;(3) 全過程低温速断面法—「90秒氷浴抽出後、事前冷却型での単一段階2mmコロナスライシング」という標準操作手順(SOP)が確立され、オートリシスや人的ミスを最小限に抑え、高精度な体積測定を実現しました。(4) 統合品質管理フレームワーク—術前断食、麻酔深度管理、術前体温調節、交差汚染防止を含む包括的な標準作業手順(SOP)を構築し、再現可能かつ容易に移転可能なMCAO標準作業手順を提供し、実験室間の一貫性と試験間比較可能性の確かな基盤を築きました。
この実験は首都医科大学の施設動物実験・実験動物福祉委員会によって承認・監督されました。すべてのプロトコルはNIHの実験動物ケア・使用ガイド(NIH出版物80-23、1996年改訂版)に準拠しており、滅菌機器および無菌技術が求められています。
1. 動物選択
2. サンプルサイズ
3. 参加基準および除外基準
4. 術前準備
5. MCAの閉塞
6. 再灌流
7. 偽手術
8. 術後神経学スコア
9. 脳梗塞量の測定
10. 統計解析
末期TTC染色のために、動物は再灌流後24時間(n = 10)または72時間(n = 10)の生存群にランダムに割り当てられました。さらに4頭のラットがMCAOを受けましたが、予定された終末点(死亡率12.5%)前に死亡しました。SHAM群はn=6で構成されていました。したがって、使用された動物の総数は30頭(24頭のMCAO + 6頭のSHAM)でした。
ラットは脳虚血を誘発するために60分間のMCAOを受けました(図1)。再灌流は、腔内フィラメントを除去し、ECAで近位結紮を解放することで開始されました。24匹のMCAOラットのうち、3匹は72時間以内に死亡しました。1人は死後の妊活による24時間以内に広範な梗塞が認められ、もう1人は72時間以内に原因不明で死亡しました。さらに2頭のラットは、モデリングに失敗したため除外しました(神経学的スコアは基準を満たさず、妊活採血による染色では梗塞なし)。したがって、72時間の死亡率は12.50%でした。モデル確立に成功したと定義し、24時間の生存期間とLongaスコア1–3を条件にしたもので、成功率は87.50%に達しました。
神経機能は脳卒中発症後24時間および72時間(梗塞容積測定前)に評価されました。文献で報告されているZea-Longa、Bederson、修正Garciaの3つの尺度が包括的な評価のために用いられました(図2)。24時間時点で、ラット(n = 20)はZea-Longaスケールで2.02±0.41、ベダーソンスケールで2.80±0.41、修正Garciaスケールで8.15±1.18を記録しました。これらの差は72時間で顕著なままでした(ゼアロンガ:1.65±0.59;ベダーソン:1.93 ± 0.38;修正ガルシア:11.00±1.34)。MCAO後24時間で、反対側半球の割合で表される心筋梗塞量は37.61±2.81%で、72時間後に28.32%±4.18%に減少しました。

図1:ラットにおける左頸部-大脳動脈生理および中大脳動脈塞栓症の概略図。(A)頸・大脳動脈の解剖学、(B)挿入前、(C)挿入後、(D)翼口蓋動脈へのフィラメント異常の概略図。CCA:総頸動脈;ICA:内頸動脈;ECA:外頸動脈;PPA:翼口蓋動脈;MCA:中大脳動脈です。「黒い三角形」:切開部位;青線:フィラメント。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図2:ラットにおける脳動脈閉塞後の梗塞体積測定および神経学的行動評価。(A) 脳切片のTTC染色。(B) 72時間時の梗塞容積は24時間時より小さい。(C,D) 72時間時のゼア・ロンガスコアとベダーソンスコアは24時間時より低い。(E) 72時間時の修正ガルシアスコアは24時間時より高い。****P < 0.0001、***P < 0.001、**P < 0.01。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
| 具現化 | 得点 / 得点 |
| 神経学的欠損はありません | 0 |
| 尾の懸垂中に反対側の前肢が曲げられ内転(軽度の神経障害) | 1 |
| 這い進む際に対側に向かって自然に円を描く(中等度の神経障害) | 2 |
| 立っている時や歩行時に反対側に倒れる | 3 |
| (重度の神経学的欠損) | |
| 意識障害を伴う自発的な動きはありません | 4 |
表1:ゼアロンガのスコア。
| 具現化 | 得点/得点 |
| 動物の尾を掴み、体をベンチから10cm上に吊るすように持ち上げます。通常のラットでは、両前肢は床に向かって伸ばしたままです。神経学的欠損を持つラットは、以下の行動を示すことがあります。 | |
| 神経学的欠損はありません | 0 |
| パレチックな前肢は曲げられ腹部に近づき、影響を受けていない部分はベンチに向かって伸ばされます | 1 |
| 1で述べた行動に加え、ベンチに伏せに置くと、パレティック側への横方向の押し出に対する抵抗が著しく減少します | 2 |
| 1と2で説明された行動に加え、歩く際にはパレティック側に向かって円を描く | 3 |
表2:ベダーソンのスコア。
| アイテム | 具現化 | 得点/得点 |
| a) 自発的な動き | 正常活動 | 3 |
| (ネズミがケージの中での活動を5分間観察してください) | 軽度の障害 | 2 |
| 中程度の障害 | 1 | |
| 自発的な動きはありません | 0 | |
| b) 左右対称の肢の動き | 対称姿勢 | 3 |
| 非対称姿勢 | 2 | |
| 片麻痺 | 1 | |
| c) 前肢外伸 | 対称 | 3 |
| (尾を掴み、前肢をテーブルの端に向かって動かす。前足の伸びを観察してください) | やや非対称 | 2 |
| 明らかに非対称 | 1 | |
| 片麻痺 | 0 | |
| d) グリップと登攀能力 | しっかりと握り、力強く登る | 3 |
| 片側の欠損が観察 | 2 | |
| 登ったり円を描いたりできない | 1 | |
| e) 身体の両側触覚反射 | 両面が対称 | 3 |
| 片側の反応が鈍い | 2 | |
| 一方からは反応なし | 1 | |
| f) 両側のビブリッサ タッチ反応 | 対称 | 3 |
| 非対称 | 2 | |
| 返事なし | 1 |
表3:修正されたガルシアスコア。合計得点:0–18ポイント;スコアが高いほど神経機能が良好です。
本研究の主な目的は生物学的発見ではなく方法論的標準化であったことを明確にすることが重要です。標準化されたMCAOプロトコルの開発は、虚血性脳卒中研究における研究室間変動を減らし再現性を高めるために不可欠です。このプロトコルは厳格な品質管理措置を通じて手続きの透明性を高め、標準化されたフィラメント挿入、温度調節、組織学的処理などMCAOモデリングにおける一般的な技術的欠陥に対応します。
一過性MCAOにおける梗塞容積の減少と部分的な神経学的回復は、一過性MCAOにおける予想される病態生理現象を示していますが、本研究の貢献は厳密に標準化された手法を用いてこれらのエンドポイントの時間的信頼性を確立することにあります。詳細で段階的な技術的枠組みを提供することで、このプロトコルは、神経炎症カスケード、アポトーシス経路、治療的介入のいずれの調査においても、将来の機構的研究が再現可能で比較可能なベースラインデータに基づいて構築されることを保証します。私たちはこの研究を、JoVEの範囲に沿った技術資源として明確に位置づけ、機構的洞察を進めるのではなく、標準化された前臨床脳卒中研究の基盤を提供します。
このプロトコルのいくつかのステップは、一貫した虚血と再灌流を確保するために特に重要です。まず、閉塞線を正確に前進させてわずかな抵抗を感じることが、再現可能なMCAOを達成するために不可欠です。挿入深さにわずかなずれがあると、不完全な閉塞やくも膜下出血を引き起こす可能性があります20,21。次に、術中の体温(37 ± 0.5 °C)を厳格に維持し、術後の体温管理が非常に重要です。低すぎるか高すぎるかは、梗塞部位や神経学的転帰に大きな変化をもたらす可能性があります12,22。第三に、90秒以内に脳を迅速に摘出し、氷浴冷却を行うことで自己溶解を最小限に抑え、組織の完全性を維持できるため、TTC染色および体積分析の正確性が保証されます23。これらのステップを一貫して実施できれば、モデルの忠実度と研究間の比較可能性を大幅に向上させるでしょう。
従来のMCAO手法を改良し、再現性と使いやすさを向上させました。事前に冷却された脳スライス型と標準化されたスライシングプロトコルの使用により、人為的ミスやスライスアーティファクトが減少しました。さらに、2人の盲検研究者による3尺度(Zea-Longa、Bederson、修正Garcia)神経機能評価の採用により、機能評価の堅牢性と感度が向上しました。各プログラム段階をカバーする詳細な標準作業手順を通じて、フィラメントの誤位、早期再灌流、術後の低体温症などの一般的な問題を特定するのに役立ちます。一般的な合併症のトラブルシューティングの指針には、(1) 誤位置の閉塞線(PPAエントリー)があり、10〜12mmで抵抗がなさず即時の神経学的改善が見られます—もし見つかった場合は、直ちにフィラメントを引っ込め、動物の頭部を反対側に30°回転させ、わずかに内側角度をつけて頭蓋基部へ向かって再前進すること;(2) 閉塞中の神経学的急激な改善を示す早期再灌流—シリコーンストッパーがECA断端にしっかりと固定されているか確認し、フィラメント径が動脈の大きさに合っているか(240–270 gラットでは0.35–0.40 mm)、変位が続く場合はより長いフィラメントの使用(シリコーンコーティングを0.5 mm増やす)を検討する。および(3)術後の低体温症(直腸温度<36°C)—温熱パッドの温度を38°Cに上げ、動物の上30cmにヒートランプを置き、温かい滅菌生理食塩水(0.5mL、腹管内投与、37°C)を投与します。
これらの進歩にもかかわらず、このプロトコルにはいくつかの制限があります。まず、この技術は一貫した成功率を得るためにはかなりの学習曲線(10〜15回の手術)が必要であり、ラットの血管解剖学の個体差はフィラメントの配置に影響を与える可能性があります21,24。第二に、現在のプロトコルは術中の脳血流モニタリング(LDFまたはLSCI)ではなく、術後の検証(神経学的スコアリングおよびTTC染色)に依存しており、これにより手術中の品質管理が制限され、不完全閉塞の動物の早期除外を不可能としています。第三に、検証は若いオスのスプラグ・ドーリーラットに限定され、一般化は雌、老年動物、併存モデルに限定されました26,27。今後の研究では、(1) 性別を生物学的変数として扱うために男女両方を対象に取り入れるべきです。(2) 血管性併存疾患を持つ12〜18か月の老年ラット;および(3)薬物介入研究における再現性を高めるためのリアルタイムCBFモニタリング。
この方法は、その結果の一貫性と翻訳的関連性が極めて重要であるため、前臨床薬物スクリーニングにおいて特に価値があります。本記事で述べる標準化されたプロトコルは、虚血性脳卒中研究の厳密さと再現性の向上に大きな期待を秘めています。このプロトコルの将来の応用には、(1) 再灌流期間中に投与された神経保護薬の前臨床スクリーニング;(2) 24時間および72時間の時間点を用いた虚血再灌流損傷の機構的研究;(3) 脳卒中後の神経可塑性と機能回復の調査;および(4)遺伝的または薬理学的介入と組み合わせた治療標的の検証。詳細かつビデオを活用したSOPを提供することで、この手法の幅広い専門レベルの研究室での普及を促進し、最終的にはより信頼性が高く臨床的に関連性の高い前脳卒中研究に寄与することを目指しています。
著者たちは何も明かすことはありません。
この研究は北京自然科学基金(番号7232269)および北京伝統中医科学技術開発基金プロジェクト(番号:1000年)の支援を受けました。JJ-2023-93)。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 2% TTC染色液 | 北京索莱宝科技有限公司 | T8170 | 25 g/瓶、純度≥98 % |
| 4% PFA | 北京索莱宝科技有限公司 | P1110 | 500 mL 即用型 |
| 吸収性縫合糸 | 山東威高集団医療ポリマー有限公司 | VCP345H | 5-0 Vicryl |
| Adson鉗子 | 上海金中外科器械有限公司 | JD-11010 | 1×2歯、12 cm |
| Dumont湾曲鉗子 | 上海金中外科器械有限公司 | JD-11052 | 長さ11 cm、0.05 mmの細い先端 |
| フィードバック加熱パッド | 深圳リワードライフサイエンス& テクノロジー有限公司 | 69001 | 37± 0.3°Cクローズドループ |
| ImageJ | 米国国立衛生研究所 | バージョン1.53k | |
| 虹彩はさみ | 上海金中外科器械有限公司 | JD-14060 | 湾曲した先端、10 cm |
| マイクロ血管クリップ | 深圳ルイヴォードリフトテクノロジー有限公司 | JD-16010 | 1.5 cm湾曲クリップ |
| 非吸収性絹 | 上海浦東金煥医療製品有限公司 | S-2304 | 6-0黒絹糸 |
| PASSソフトウェア | NCSS, LLC、Kaysville、UT、米国 | バージョン15.0 | サンプルサイズ計算ソフトウェア |
| ラット脳マトリックス | 深圳ルイヴォードリフトテクノロジー有限公司 | 68610 | 2 mm冠状スロット |
| シリコンコーティングされたナイロンフィラメント | 深圳ルイヴォードリフトテクノロジー有限公司 | 60-1250 | 0.35 mm OD、30 mmシリコンチップ、EO-無菌 |
| 小動物麻酔機 | 深圳ルイヴォードリフトテクノロジー有限公司 | R500IE | イソフルラン気化器、誘導チャンバー&マスク付き |
| SPSS | IBM Corp.、Armonk、NY、米国 | バージョン26.0 | 統計解析ソフトウェア |
| Vannasマイクロはさみ | 上海金中外科器械有限公司 | JD-14058 | 湾曲した先端、8 cm |
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