Dit protocol beschrijft het proces voor het induceren van een cerebraal ischemisch comamodel met behulp van een aangepaste occlusiemethode met vier vaten.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Dit protocol beschrijft het proces voor het induceren van een cerebraal ischemisch comamodel met behulp van een aangepaste occlusiemethode met vier vaten.
Coma veroorzaakt door cerebrale ischemie is de ernstigste complicatie van cerebrale ischemie. Occlusie van vier vaten kan een cerebraal ischemisch comamodel tot stand brengen voor ziekteonderzoek en de ontwikkeling van geneesmiddelen. De veelgebruikte occlusiemethode met vier vaten omvat echter voornamelijk het inbrengen van een elektrocoagulatiepen in het bilaterale pterygoïde foramen van de eerste halswervel achter de nek om de wervelslagaders te elektrocoaguleren. Dit proces brengt het risico met zich mee van onvolledige elektrocoagulatie, bloedingen en schade aan de hersenstam en het ruggenmerg. Vierentwintig uur na de operatie ondergaan opnieuw verdoofde ratten een ligatie van de halsslagader voor de nek. Twee operaties stellen de ratten bloot aan een hoger risico op infectie en verlengen de experimentele periode. In deze studie werd tijdens een enkele chirurgische ingreep een voorste cervicale incisie gebruikt om de belangrijkste plaats te lokaliseren waar de wervelslagader de eerste halswervel binnendringt. De bilaterale wervelslagaders werden onder visuele omstandigheden geëlektrocautiseerd, terwijl de bilaterale gemeenschappelijke halsslagaders werden gescheiden om losse knopen te plaatsen. Toen de ledematen van de ratten begonnen te trillen, werden de bilaterale gemeenschappelijke halsslagaders snel afgebonden om ischemisch coma te induceren. Deze methode kan het risico op infectie veroorzaakt door twee chirurgische ingrepen vermijden en is gemakkelijk uit te voeren met een hoog slagingspercentage, wat een nuttige referentie biedt voor relevante beoefenaars.
Ischemisch hersenletsel is het meest voorkomende hersenletsel in de klinische praktijk, goed voor ongeveer 75% van de gevallen van cerebrovasculaire aandoeningen. Ischemie kan leiden tot ernstig secundair hersenletsel en ziekten 1,2, en coma is het ernstigste symptoom dat wordt veroorzaakt door ischemisch hypoxisch hersenletsel. Het is ook de laatste weg voor veel kritieke omstandigheden3. Coma is een kritieke en ernstige ziekte in de klinische praktijk die moeilijk te beheersen is4. Hoe langer de coma duurt, hoe groter het potentiële gevaar. Snel ontwaken is het primaire doel om de verslechtering en progressie van de aandoening te voorkomen. Hoewel naloxoninjectie een breed scala aan klinische toepassingen heeft bij het bevorderen van waakzaamheid, heeft het nog steedsenkele bijwerkingen. Daarom is de ontwikkeling van veilige en effectieve waakzaamheidsbevorderende medicijnen een urgent probleem dat moet worden aangepakt. Het opzetten van een eenvoudig en gemakkelijk te bedienen ischemisch comamodel voor de hersenen is essentieel voor het ophelderen van de pathogenese van ischemisch coma en voor de ontwikkeling van geneesmiddelen 6,7,8.
Het doel van deze studie is om een model te introduceren voor het induceren van wereldwijd ischemisch coma door middel van elektrocoagulatie van bilaterale wervelslagaders (VA) en tijdelijke ligatie van bilaterale gemeenschappelijke halsslagaders (CCA), wat eenvoudig en gebruiksvriendelijk is voor beginners. Het vorige protocol omvatte het blootleggen van het bilaterale pterygoïde foramen van de eerste achterste halswervel tijdens de eerste operatie en het elektrisch verbranden van het pterygoïde foramen om de bilaterale VA's te blokkeren. Een tweede operatie werd 24 uur later uitgevoerd om totale ischemische coma te induceren door ligatie van de bilaterale CCA's 9,10,11,12. Vanwege onzichtbaarheid bestaat er echter een risico op onvolledige elektrocoagulatie, bloedingen, hersenstam- en ruggenmergletsel, evenals een langdurige experimentele periode. Daarom is het noodzakelijk om deze problemen aan te pakken.
Hier presenteren we een verbeterde methode voor het modelleren van ischemisch coma. De belangrijkste procedure omvat het maken van een mediane incisie in de voorste nek, het uitvoeren van elektrische resectie van de bilaterale VA's onder visuele omstandigheden en het kort afbinden van de bilaterale CCA's tijdens een enkele operatie om de bloedtoevoer naar de hele hersenen te blokkeren, waardoor een snelle remming van het elektro-encefalogram (EEG) ontstaat en tot coma leidt. Deze methode induceert ook een korte continue coma na reperfusie. Deze procedure is eenvoudig uit te voeren, beginnersvriendelijk en vermindert het risico op secundaire trauma-infectie bij dieren, waardoor de experimentele periode wordt verkort.
Het protocol is geschikt voor de studie van globaal ischemisch coma veroorzaakt door een hartstilstand. Het is ook ideaal voor de studie van ischemische dementie, vooral omdat het hersengebied van de hippocampus extreem gevoelig is voor ischemie; Voorbijgaande cerebrale ischemie kan dus leiden tot schade of zelfs verlies van hippocampusneuronen13, wat resulteert in cognitieve disfunctie. Daarom kan het protocol een referentie zijn voor beoefenaars die cerebrale ischemie, ischemische coma en ischemische dementie bestuderen.
Het experimentele protocol werd uitgevoerd in overeenstemming met de vereisten van de Use of Laboratory Animals and Institutional Animal Care and Use Committee van de Foshan University (Recordnummer: 2023-643656). Voor dit onderzoek werden mannelijke Sprague Dawley (SD) ratten (200 g ± 20 g, 6-8 weken oud) gebruikt. Alle gegevens van dierproeven zijn opgeschreven volgens de richtlijnen van ARRIVE (Animal Research: Reporting In Vivo Experiments). De details van de reagentia en apparatuur die in het onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.
1. Implantatie van EEG-elektroden
2. Chirurgisch proces van cerebraal ischemisch comamodel
3. Herstel van dieren
Door ontstekingen en andere stimulatie veroorzaakt door de implantatie van elektroden, kan het EEG onstabiel zijn, zodat de ratten 3 dagen moeten herstellen. Ratten met een normaal EEG en EMG na 3 dagen kunnen worden opgenomen voor de voorbereiding van het comamodel. Toen de ratten onder narcose werden gebracht, werd de EEG- en EMG-activiteit enigszins onderdrukt, maar verliep soepel. Er was geen significante verandering in EEG- en EMG-activiteit na elektrocoagulatie die de bilaterale VA's blokkeerde. Na ongeveer 30 minuten werd het medicijn gemetaboliseerd, de ratten kwamen geleidelijk weer bij bewustzijn en de EEG- en EMG-activiteit nam toe. Wanneer ratten spiertrekkingen van ledematen vertoonden, terwijl EEG- en EMG-signalen actief waren en niet langer in een rechte lijn stonden, werd de CCA snel geligeerd. Op dit moment waren alle vier de bloedvaten die verantwoordelijk zijn voor de bloedtoevoer naar de hersenen geblokkeerd, wat resulteerde in wereldwijde cerebrale ischemie. De EEG- en EMG-activiteiten werden snel geremd, vormden bijna een rechte lijn, en de rat worstelde niet langer en de oogbollen leken grijs en wit (Figuur 2A). Als de ratten niet in coma kunnen worden gebracht, betekent dit dat het model heeft gefaald.
Na 30 minuten werd de eerste ligatiedraad van de CCA's vrijgegeven voor reperfusie, maar de tweede ligatiedraad die voor de CCA's werd geplaatst, hield het perfusieniveau laag, waardoor een continue coma bij de ratten gedurende ongeveer 60 minuten werd geïnduceerd. Met de geleidelijke compensatie en bloeddoorbloeding van het lichaam werden de ratten geleidelijk wakker (Figuur 2B). Het EEG en EMG van de ratten herstelden zich bijna volledig na het ontwaken.

Figuur 1: Positiediagram van de elektrocoagulatie wervelslagader. In stap 1-3 wordt het protocol voor het implanteren van de elektroden beschreven en in stap 4 wordt getest of de elektroden goed werken. Stap 5-6 beschrijven de chirurgische incisieprocedure aan de voorkant van de nek en bilaterale wervelslagaders (VA's) voor elektrocoagulatie. Gele pijlen en bogen geven de belangrijkste plaatsen voor elektrocoagulatie aan. Zijden draden worden gebruikt om de doorgang van de wervelslagader door de wervelkolom te simuleren, waardoor een duidelijkere indicatie wordt gegeven van de karakteristieke locatie van de elektrogecoaguleerde wervelslagader. Stappen 7-9 beschrijven de protocollen voor ligatie van de bilaterale gemeenschappelijke halsslagaders (CCA's) om coma te induceren. Alle procedures voldoen aan de richtlijnen voor diergebruik. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Elektro-encefalogram (EEG) en elektromyogram (EMG) veranderingen van coma naar herstel. (A) Golfvorm van EEG, EMG en activiteitsniveaus bij ratten tijdens cerebrale ischemische coma. (B) Diagram van EEG, EMG en activiteitsniveaus bij ratten die overgaan van coma naar ontwaken. Het hele proces duurt ongeveer 90 minuten. Klik hier om een grotere versie van dit figuur te bekijken.
Occlusie van vier vaten induceert wereldwijd ischemisch en hypoxisch hersenletsel, dat acute coma, hartstilstand, verstikking, shock, ernstige aritmie en andere kritieke klinische aandoeningen veroorzaakt door cerebrale ischemie in de klinische praktijk kan simuleren. Ondertussen kan occlusie van vier vaten leiden tot schade, voornamelijk in de hippocampus17,18, het primaire functionele hersengebied dat verantwoordelijk is voor cognitief geheugen 19,20,21. Daarom kan occlusie met vier vaten ook worden gebruikt om een vasculaire dementiemodel te simuleren22,23. Samenvattend is het door occlusie geïnduceerde globale cerebrale ischemiemodel met vier vaten op grote schaal gebruikt om de bovengenoemde klinische ziekten te simuleren.
In 1979 bereikten Pulsinelli et al.10 wereldwijde cerebrale ischemie en reperfusie door de bilaterale gemeenschappelijke halsslagaders en bilaterale wervelslagaders te blokkeren. Sindsdien is het model geleidelijk uitgegroeid tot een internationaal erkende klassieke bereidingsmethode voor wereldwijde cerebrale ischemiemodellen 24,25,26. Deze methode heeft echter enkele problemen, zoals individuele verschillen in het transversale proces en foramen van de eerste halswervel, waaronder kleine, onregelmatige en gebogen foramina, wat resulteert in onvolledige elektrocoagulatie. Bovendien kan langdurige elektrocoagulatie of overmatige elektrische stroom een risico vormen op beschadiging van de hersenstam en het ruggenmerg. Onvoldoende elektrocoagulatie van de wervelslagader kan leiden tot aanzienlijke bloedingen en andere problemen 15,16,27.
Daarom hebben wetenschappers voortdurend verbeteringen aangebracht om de integriteit van de elektrocoagulatie van de wervelslagader te waarborgen en de variabiliteit van het model te verminderen28,29. Vanwege de onzichtbaarheid van het elektrocoaguleren van de wervelslagader door het wervelforamen, hebben Todd et al.30 de wervelslagader volledig blootgelegd en onder direct zicht verbrand door door het atlasforamene te boren, waardoor de nauwkeurigheid van de elektrocoagulatie werd verhoogd. Deze chirurgische methode is echter zeer invasief en kan de cervicale wervelkolom beschadigen. De dunne wand van het pterygoïde foramen kan de wervelslagader gemakkelijk beschadigen, massale bloedingen veroorzaken en resulteren in een relatief hoog sterftecijfer. Sugio et al.12 visualiseerden de wervelslagader en sneden deze permanent door door een elektrische naald in de linker en rechter tussenwervelforamina van de tweede halswervel te steken. Toda et al.31 en Lu et al.27 legden op basis van deze anatomische structuur de wervelslagader tussen de eerste en tweede transversale uitsteeksels buiten het atlasgewricht bloot en voerden elektrocoagulatie uit. Deze onderzoekers losten het probleem van instabiliteit bij elektrocoagulatie op wanneer de wervelslagader niet zichtbaar was door deze achter de nek bloot te leggen en elektrocoagulatie uit te voeren.
Ratten die een operatie aan zowel de buik als de rug ondergingen, hadden echter nog steeds een verhoogd risico op infectie, dus sommige geleerden hebben geprobeerd om vanaf de voorkant van de nek te opereren. Sun Wei et al.15 bereikten een globale cerebrale ischemie-reperfusie door de wervelslagader te scheiden van de voorste nek, de kleine slagaders af te binden of af te knippen en de CCA continu of met tussenpozen te knippen. Deze stap vereist een nauwgezette operatie, omdat de wervelslagader moeilijk te scheiden is vanwege zijn subtiele aard. Bovendien zijn kleine arteriële klemmen moeilijk om de wervelslagader nauwkeurig vast te klemmen. Als de scheiding niet duidelijk en schoon genoeg is, zal dit leiden tot onvolledige klemming of ligatie, wat ongetwijfeld de instabiliteit van het model vergroot.
Deze studie biedt een eenvoudige en haalbare methode voor elektrocoagulatie van de wervelslagader. De belangrijkste stap is niet om de wervelslagader te scheiden, maar om het transversale foramen te lokaliseren waar de wervelslagader de eerste halswervel kruist en binnengaat. Dit is de ingang van de wervelslagader, die een gebogen functie heeft, waardoor beginners deze snel kunnen vinden. Na het voorverwarmen van de elektrocoagulatiepen, plaatst u deze in de gebogen positie om de wervelslagader snel te laten stollen, waarbij u 3-5 s aanhoudt om volledige occlusie te garanderen. Zowel de elektrocoagulatie van de wervelslagader als de CCA-ligatie werden in één operatie uitgevoerd, waardoor het risico op infectie en de duur van het experiment werden verminderd.
We ontdekten ook dat de dood van het modeldier voornamelijk werd veroorzaakt door de verstopping van alle vier de bloedvaten die verantwoordelijk zijn voor de cerebrale bloedtoevoer en niet gerelateerd was aan het aantal chirurgische ingrepen. Het voltooien van alle operaties in één operatie verkortte echter inderdaad de experimentele periode. Bovendien kan de gewijzigde methode ook worden gebruikt om het wereldwijde cerebrale ischemie-reperfusiemodel voor te bereiden. Het door occlusie geïnduceerde cerebrale ischemie-comamodel met vier vaten kan ook het "locked-in-syndroom"-model in de traditionele Chinese geneeskundesimuleren32. Daarom kan het model dat in deze studie is geïntroduceerd ook een referentie bieden voor beoefenaars van traditionele Chinese geneeskunde.
In eerdere literatuur 16,33,34 werd CCA-stenoseligatie 30 minuten na ischemie uitgevoerd. Na 30 minuten ischemie vertoonden sommige ratten echter een licht bewustzijn als gevolg van compensatie. Mechanische stimulatie kan ervoor zorgen dat deze ratten wakker worden, wat leidt tot het falen van het comamodel. Daarom werd in onze studie de behandeling van CCA-stenose onmiddellijk na het begin van coma uitgevoerd. Op dat moment was de comadiepte diepgaand, waardoor het moeilijk was om de ratten te stimuleren om wakker te worden, waardoor de stabiliteit van het model werd gegarandeerd. De CCA bevond zich tijdens deze behandeling in een geklemde toestand en de stenosebehandeling zou de bloedstroom niet beïnvloeden.
Bovendien werd bij de incisie in de nek van ratten waargenomen dat de wervelslagaders in drie spinale intervallen konden worden geblokkeerd door elektrocauterisatie of ligatie. Er is echter een karakteristiek teken van het binnendringen van de wervelslagader in de eerste wervelkolom, waardoor het zeer geschikt is voor elektrocauterisatieblokkade. Vanwege het ontbreken van karakteristieke markers tussen de tweede en derde wervel, evenals tussen de derde en vierde wervel, is hechtdraadligatie geschikter. Er is echter een nadeel van onvoldoende ligatie. Daarom werd in deze studie gekozen voor elektrocauterisatie om de wervelslagader tussen de eerste en tweede wervel af te snijden.
Bovendien moet worden opgemerkt dat het succes van dit model nauw verband houdt met het gewicht van de ratten. Er is gemeld dat ratten met een gewicht tussen 180-200 g geschikter zijn voor het induceren van coma. In deze studie werd ook vastgesteld dat ratten met een gewicht van minder dan 180 g nauwelijks bestand zijn tegen de schade van vier bloedvaten tegelijk, wat leidt tot een hoog sterftecijfer. Omgekeerd, als het gewicht groter is dan 220 g, zal de rat snel wakker worden en niet lang genoeg in coma blijven om aan de modelnorm te voldoen.
Bovendien is de diameter van het gaatje dat wordt gebruikt voor het verkleinen van de CCA een andere factor die de duur van coma bij ratten beïnvloedt. Studies hebben aangetoond dat een gaatjesdiameter van 0,6 mm bij ratten gedurende 6-8 uur een continue coma kan veroorzaken met een hoog overlevingspercentage. Een gaatjesdiameter van 0,45 mm veroorzaakte extreme arteriële stenose bij ratten, wat leidde tot het falen van ernstig gewonde ratten om te herstellen, terwijl een diameter van 0,7 mm resulteerde in een coma die 1-3 uur duurde, maar met significante individuele verschillen16.
In het voorbereidende experiment kon een gaatjesdiameter van 0,6 mm echter niet langer dan 60 minuten coma veroorzaken, terwijl een diameter van 0,5 mm gedurende 1-2 uur coma kon induceren. Dit wijkt af van de studie van Xiaobing Jia et al., wat te wijten kan zijn aan verschillen in anesthetica en modelleringsmethoden. In de toekomst is verder onderzoek nodig om deze verschillen op te helderen.
Concluderend presenteert deze studie een eenvoudige, haalbare en beginnersvriendelijke methode voor occlusie van vier vaten. Het dient als een waardevolle referentie voor beoefenaars die cerebrale ischemische coma of globale cerebrale ischemie bestuderen.
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (82173781 en 82373835), het postdoctorale onderzoeksproject (BKS212055), het wetenschaps- en technologie-innovatieproject van het Foshan Science and Technology Bureau (2320001007331), de Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2019A1515010806), Key Field Projects (Intelligent Manufacturing) van algemene universiteiten in de provincie Guangdong (2020ZDZX2057) en de wetenschappelijke onderzoeksprojecten (karakteristieke innovatie) van General Universiteiten in de provincie Guangdong (2019KTSCX195).
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 16 kanaals microfiber foto-elektrode array | Jiangsu Yige Biotechnology Co., Ltd | 2605 | |
| 4-0 chirurgische hechtdraad | Nantong Holycon Medical Devices Co.,Ltd. | B-104 | |
| 6-0 chirurgische hechtdraad | Ningbo MEDICAL Needle Co., Ltd. | JM1216-742417 | |
| EEG elektrode | Kedou Brain machine Technology Co., LTD | KD-EEGEMG | |
| Elektrocoagulatie pen | CONPUVON Company | 465 | |
| Lunion Stage Automatische Slaapstadiëring Systeem | Shanghai Lulian Intelligent Technology Co., Ltd. | 1336 | |
| Miniatuur hand-held schedelboor | Rayward Life Technology Co., Ltd | 87001 | |
| Penicilline natrium | Chengdu Kelong Chemical Co., Ltd. | 17121709-2 | |
| SD ratten | SPF ( Beijing ) Biotechnology Co.,Ltd. | 180-220g | |
| Schedelspijker | GLOBALEBIO,LTD | / | |
| Stereotactisch instrument | Rayward Life Technology Co., Ltd | 68801 | |
| Zoletil 50 | Vic Trading (Shanghai) Co., LTD | BN 88SHA |
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen