Ontwikkeling en toepassing van diermodellen van diabetes met ischemische beroerte: het verbinden van fundamenteel onderzoek en klinische translatie

Samenvatting

Deze review vat recente ontwikkelingen samen in de ontwikkeling en toepassing van diermodellen van diabetes mellitus met acute herseninfarct.

Samenvatting

Diabetes is een belangrijke onafhankelijke risicofactor voor ischemische beroerte, wat de ernst van de beroerte verergert en de uitkomsten voor patiënten verslechtert. Traditionele modellen van beroerte, met gezonde dieren, slagen er niet in de complexe pathofysiologie van diabetes te repliceren, wat bijdraagt aan het slechte translationele succes van neuroprotectieve therapieën. Deze review vat de methodologieën samen voor het opstellen van diermodellen van diabetes met ischemische beroerte, inclusief occlusie van de middencerebrale arterie en trombo-embolische benaderingen, en belangrijke overwegingen voor het construeren van gecombineerde modellen. Deze review belicht fenotypische beoordelingen die zijn afgestemd op diabetische comorbiditeit. Ook wordt onderzocht hoe deze modellen het begrip van pathogene mechanismen en farmacologische effectiviteit bevorderen. We beoordelen ook de huidige methodologische beperkingen en stellen toekomstige onderzoeksrichtingen voor. Al met al waren de doelstellingen het bieden van theoretische en methodologische richtlijnen om fundamenteel en translationeel onderzoek naar diabetes-geassocieerde ischemische beroertes te versterken en de ontwikkeling van effectievere klinische behandelstrategieën te ondersteunen.

Inleiding

Diabetes mellitus is een goed gevestigde onafhankelijke risicofactor voor ischemische beroerte, die de klinische uitkomsten en neurologische tekorten bij patiënten met een beroerte aanzienlijk verergert. De wisselwerking tussen diabetes en ischemische beroerte wordt gedreven door complexe pathofysiologische mechanismen, waaronder metabole ontregeling, vasculaire endotheeldisfunctie en verhoogde ontstekingsactiviteit, die samen cerebrale ischemische schade verergeren en het herstel belemmeren (Figuur 1). Meerdere epidemiologische studies hebben consequent aangetoond dat patiënten met diabetes een hogere incidentie van ischemische beroerte hebben en ernstigere neurologische beperkingen en slechtere functionele uitkomsten vertonen in vergelijking met personen zonder diabetes ^1,2.

Voor de duidelijkheid is het belangrijk om de gebruikte terminologie in dit manuscript te definiëren. Ischemische beroerte is de overkoepelende klinische aandoening die wordt gekenmerkt door acute neurologische disfunctie als gevolg van focale cerebrale ischemie. Deze aandoening omvat twee hoofd pathofysiologische subtypen: trombotische beroerte, veroorzaakt door lokale trombusvorming in een cerebrale slagader (vaak op plaatsen van atherosclerotische plaque), en embolische beroerte, veroorzaakt door emboliën afkomstig uit verre bronnen zoals het hart of proximale vaten. Acuut cerebraal infarct verwijst specifiek naar het resulterende gebied van necrotisch hersenweefsel dat is bevestigd door pathologie of beeldvorming. In de context van deze review wordt diabetes-geassocieerde beroerte beschouwd als een ischemische beroerte die voorkomt bij patiënten met een reeds bestaande diabetes, waarbij hyperglykemie, vasculaire disfunctie en ontsteking het letsel verergeren en het herstel belemmeren.

Microalbuminurie, een indicator van systemische endotheeldisfunctie, is geïdentificeerd als een onafhankelijke risicofactor voor significante intracraniële en extracraniële arteriële stenose bij patiënten met ischemische beroerte. Hiermee worden de vasculaire complicaties die inherent zijn aan diabetes belicht en het risico op cerebraal ischemisch gedrag^{versterken 3}. Bovendien verhogen veelvoorkomende comorbiditeiten, zoals hypertensie en hyperlipidemie, het risico op ischemische beroerte en ernst verder en vergroten ze de kans op cognitieve achteruitgang na een beroerte⁴. Deze observaties onderstrepen de noodzaak om de specifieke pathofysiologische kenmerken van ischemische beroerte bij patiënten met diabetes te verduidelijken om de ontwikkeling van effectievere therapeutische strategieën te bevorderen.

Traditionele experimentele modellen van ischemische beroerte gebruiken voornamelijk gezonde dieren, waardoor hun translationele relevantie beperkt wordt tot ischemische beroerte bij diabetes. Deze modellen reproduceren niet adequaat de metabole stoornissen, vasculaire remodellering en het verhoogde neuro-inflammatoire milieu die kenmerkend zijn voor diabetes. Hersenarteriolosclerose, een cerebrale kleine-vaatziekte, gekenmerkt door verdikking van de arteriolar wand en vaak geassocieerd met veroudering, hypertensie en diabetes, illustreert de vasculaire pathologie die ischemische beroerte bij patiënten met diabetes^{bemoeilijkt 5}. Hersenarteriosclerose draagt bij aan een verminderde cerebrale perfusie en een verhoogde vatbaarheid voor ischemische schade; De complexe pathogenese en interacties met de componenten van het metabool syndroom blijven echter onduidelijk. Het ontbreken van diermodellen die deze comorbide vaatafwijkingen trouw nabootsen, beperkt de evaluatie van neuroprotectieve strategieën die zijn afgestemd op ischemische beroerte bij diabetes. Bovendien verergert neuro-ontsteking, veroorzaakt door geactiveerde microglia, de ischemische schade verder, en wordt deze differentieel gereguleerd in diabetische toestanden⁶. Recente studies in rattenmodellen van diabetes tonen aan dat glucoseverlagende middelen, zoals glucagonachtige peptide-1 receptoragonisten en natriumglucocotransporteur-2 remmers, neuroprotectie verleen, niet alleen door infarcvolume te verminderen, maar ook door microgliale activatie te moduleren en de neuronale overleving^te verhogen. Deze bevindingen onderstrepen de noodzaak van modellen van ischemische beroerte die de metabole en ontstekingskenmerken van diabetes bevatten, om de therapeutische werkzaamheid en onderliggende mechanismen nauwkeuriger te evalueren.

Gezien de klinische en biologische complexiteit van diabetes-geassocieerde ischemische beroerte, is het ontwikkelen van verfijnde diermodellen die de metabole disfunctie, vasculaire endotheelpathologie en neuro-inflammatoire processen van diabetes integreren, een dringende prioriteit. Deze modellen zullen essentiële translationele platforms bieden die mechanistische inzichten verbinden met klinische toepassing. Bovendien hebben vooruitgang in de identificatie van moleculaire biomarkers en therapeutische doelen die specifiek zijn voor diabetische beroerte niet-coderend RNA's, zoals het lange niet-coderende RNA SNHG4 (small nucleolar RNA host gene 4), benadrukt als potentiële regulatoren van ziekteprogressie en therapeutische respons⁸. Systematische evaluatie van fenotypische kenmerken, zoals vasculaire stenose, infarcvolume, neurologische tekorten en cognitieve uitkomsten, is essentieel om de validiteit en onderzoekswaarde van deze modellen vast te stellen. In deze review worden de modellen niet alleen samengevat, maar wordt ook een vergelijkende analyse gegeven van hun technische haalbaarheid, slagingspercentages en beperkingen. Het doel is om onderzoekers een praktisch kader te bieden voor het selecteren van het meest geschikte samengestelde model op basis van hun specifieke experimentele doelstellingen en beschikbare middelen.

Protocol

Oprichting en selectie van diabetesmodellen

Type 1 diabetes mellitus (T1DM): Streptozotocine-geïnduceerd model
Streptozotocine is een veelgebruikt chemisch stof om T1DM bij dieren op te wekken, vanwege de selectieve cytotoxiciteit van de alvleesklier-β-cellen⁹. Na het binnendringen van β-cellen via glucosetransporter 2, induceert Streptozotocine alkylatie en fragmentatie van DNA, wat leidt tot β-celdood en daaropvolgende insulinedeficiëntie. Dit proces repliceert effectief de kenmerkende pathofysiologie van T1DM, die wordt gekenmerkt door een absoluut insulinetekort. Door Streptozotocine geïnduceerde vernietiging van β-cellen veroorzaakt hyperglykemie en bijbehorende metabole verstoringen die vergelijkbaar zijn met die waargenomen bij menselijke T1DM¹⁰. Door de snelle en betrouwbare inductie van diabetes bij knaagdieren wordt het streptozotocinemodel veel gebruikt in studies naar ziektemechanismen en therapeutische interventies¹¹. Streptozotocine geïnduceerde diabetes weerspiegelt echter voornamelijk insulinedeficiëntie en omvat niet de auto-immuuncomponenten van menselijke T1DM, waardoor het vermogen om het volledige ziektespectrum te vertegenwoordigen beperkt wordt.

De inductie van T1DM met streptozotocine vereist zorgvuldige optimalisatie van doserings- en toedieningsprotocollen om modelstabiliteit in balans te brengen met dieroverleving. Twee hoofdbenaderingen worden vaak gebruikt: één injectie met hoge dosering en meerdere injecties met lage doses. Een enkele hoge dosis (meestal 50–65 mg/kg intraperitoneaal) veroorzaakt snelle en bijna volledige vernietiging van β-cellen, wat binnen¹⁰ dagen ernstige hyperglykemie veroorzaakt. Hoewel efficiënt en zeer reproduceerbaar, wordt deze methode geassocieerd met een verhoogde sterfte en een grotere off-target toxiciteit. Alternatief veroorzaken meerdere injecties met lage doseringen (bijvoorbeeld 40 mg/kg dagelijks gedurende vijf opeenvolgende dagen) geleidelijke schade aan β-cellen. Het is cruciaal op te merken dat deze geleidelijke afbraak gepaard kan gaan met enige ontstekingsinfiltratie, maar het herhaalt niet de auto-immuun etiologie van T1DM bij mensen¹². Deze aanpak vermindert de sterfte en is beter in het modelleren van de ontstekingskenmerken van de ziekte; Echter, langdurige monitoring is vereist en er kan variatie zijn in het begin en de ernst van diabetes. De keuze van een geschikt protocol hangt af van het experimentele doel, met een hoogdosismodelregime geschikt voor snelle inductie van diabetes en een laagdosisregime dat de voorkeur heeft voor studies met immuungemedieerde mechanismen^13,14.

Het door streptozotocine geïnduceerde model van T1DM biedt verschillende voordelen, waaronder snelle en relatief stabiele inductie van insulinetekort-diabetes, kosteneffectiviteit en gebruiksgemak bij knaagdieren. Deze kenmerken maken het bijzonder geschikt voor het onderzoeken van verlies van β-cellen, hyperglykemie en complicaties van diabetes in verband met insulinetekort. Het model mist echter belangrijke kenmerken van T1DM bij mensen, zoals auto-immuungemedieerde β-celvernietiging of de aanwezigheid van insulineresistentie. Daardoor herhaalt het streptozotocinemodel niet volledig de complexe immunopathogenese van T1DM. Het ontbreken van insulineresistentie beperkt de toepasbaarheid in studies die dit onderdeel vereisen verder verder. Bovendien kan streptozotocinetoxiciteit andere organen beïnvloeden, wat experimentele uitkomsten mogelijk verstoort. Daarom, hoewel het streptozotocinemodel een hoeksteen blijft voor studies naar T1DM, onderstrepen de beperkingen de noodzaak van complementair gebruik van genetische of auto-immuunmodellen, zoals de niet-obesitze diabetische muis, om immuunmechanismen en ziekteprogressie ^te onderzoeken ^9,15.

Type 2 diabetes mellitus (T2DM)
Dieet-geïnduceerde modellen van T2DM worden voornamelijk ontwikkeld door knaagdieren een vetrijk, suikerrijk dieet te voeren, dat obesitas, insulineresistentie en metabole ontregeling bevordert, waardoor de vroege stadia van T2DM bij mensen worden nagebootst^. Deze modellen reproduceren de pathofysiologische cascade beginnend met perifere insulineresistentie, gevolgd door compenserende hyperinsulinemie en uiteindelijk een β-cel disfunctie. Dieetinterventies leiden ook tot verhoogde vetstof, chronische laaggradige ontstekingen en veranderde lipidenmetabolisme, die allemaal bijdragen aan een verstoorde glucosehomeostase. Deze modellen zijn bijzonder waardevol voor het onderzoeken van omgevings- en leefstijlfactoren die bijdragen aan T2DM, en voor het evalueren van interventies gericht op insulineresistentie en metabool syndroom. Het ontstaan en de ernst van diabetes kunnen echter variëren afhankelijk van het dieet, de duur en de diersoort, waardoor zorgvuldige optimalisatie van het protocol noodzakelijk is. Voedingsmodellen faciliteren ook het verkennen van de wisselwerking tussen door obesitas veroorzaakte ontsteking en β-celfalen, en bieden inzicht in de ziekteprogressie¹⁷. Hoewel het dieet-geïnduceerde model uitstekend is voor het onderzoeken van insulineresistentie en de effecten van leefstijlinterventies, is het slecht geschikt voor het onderzoeken van complicaties in een laat stadium van diabetes, zoals ernstige nefropathie of geavanceerde vasculaire verkalking, die beter gemodelleerd kunnen worden met genetische of gecombineerde modellen.

Genetische modellen van T2DM, zoals db/db en ob/ob-muizen, bevatten mutaties die obesitas en insulineresistentie induceren, waarmee ze belangrijke aspecten van de pathofysiologie van T2DM bij mensen effectief^modelleren. Ob/ob-muizen hebben een mutatie in het leptinegen, wat leidt tot leptinedeficiëntie, terwijl db/db-muizen een mutatie in het leptinereceptorgen hebben, wat leptineresistentie veroorzaakt. In beide modellen hebben de muizen hyperfagie, ernstige obesitas, hyperglykemie, hyperinsulinemie en progressief β-celfalen. Deze genetische veranderingen veroorzaken ernstige insulineresistentie en metabole stoornissen, waardoor deze modellen waardevol zijn voor het onderzoeken van de genetische en moleculaire mechanismen achter T2DM en bijbehorende complicaties. De monogene aard van deze mutaties beperkt echter hun vermogen om de polygene en multifactoriele etiologie van T2DM bij mensen weer te geven. Bovendien weerspiegelt het snelle optreden van diabetes en ernstige obesitas in deze modellen mogelijk niet de heterogeniteit die bij mensen wordt waargenomen. Ondanks deze beperkingen worden db/db en ob/ob/ob-muizen veel gebruikt in preklinische studies en geneesmiddelenontwikkeling¹⁹.

De combinatie van dieetinductie en laagdosistoediening van streptozotocine vormt een hybride model dat is ontworpen om de progressie van T2DM te repliceren, van insulineresistentie naar β-cel disfunctie en falen²⁰. Dieren krijgen aanvankelijk een vetrijk dieet om obesitas en insulineresistentie op te wekken, wat de vroege metabole verstoringen van T2DM nabootst. Vervolgens worden lage doses streptozotocine toegediend om milde schade aan β-cellen te veroorzaken, waarmee de afname van β-celfunctie wordt gesimuleerd die in latere stadia van de ziekte aanwezig is. Deze benadering produceert een fenotype dat wordt gekenmerkt door hyperglykemie, verminderde insulineafgifte en aanhoudende insulineresistentie, dat sterk lijkt op de progressie van T2DM bij mensen. Het model is met succes toegepast bij muizen en ratten en biedt een robuust platform voor het onderzoeken van complicaties van diabetes, zoals cardiomyopathie en nefropathie. Het faciliteert ook de evaluatie van therapeutische interventies gericht op insulineresistentie en het behoud van β-cellen. Het behalen van consistente resultaten vereist echter nauwkeurige dosering en timing, en de responsen kunnen variëren afhankelijk van dierstam en experimenteel protocol²¹.

Het selecteren van een geschikt diermodel van T2DM vereist een zorgvuldige evaluatie van metabole kenmerken, alvleesklierpathologie en vasculaire complicaties, om te zorgen dat het in overeenstemming is met specifieke onderzoeksdoelstellingen. Dieet-geïnduceerde modellen repliceren effectief insulineresistentie en obesitasgerelateerd metabool syndroom, maar kunnen inconsistente β-celfalen veroorzaken en weinig geavanceerde complicaties hebben. Genetische modellen, zoals db/db en ob/ob-muizen, geven goed gekarakteriseerde fenotypes van obesitas en insulineresistentie met progressieve β-celdisfunctie, hoewel de monogene aard de generaliseerbaarheid beperkt. Het model van gecombineerd dieet plus lage dosis streptozotocine biedt een meer uitgebreide weergave van de progressie van T2DM, inclusief verlies van β-cellen en vasculaire complicaties, waardoor het geschikt is voor studies naar ziekten in een laat stadium en therapeutische interventies. Onderzoekers moeten rekening houden met factoren zoals het ontstaan, de ernst, reproduceerbaarheid en relevantie voor de menselijke pathofysiologie van de ziekte, evenals verschillen in stammen en geslachtsspecifieke reacties die de uitkomsten van de modellen kunnen beïnvloeden. Voor translationele relevantie worden modellen die metabole en vasculaire aspecten van T2DM integreren, waaronder nefropathie en cardiomyopathie, de voorkeur gegeven. Uiteindelijk moet de selectie van het model worden geleid door de specifieke mechanistische of therapeutische vragen die worden gesteld, waarbij experimentele complexiteit wordt afgewogen tegen praktische haalbaarheid 17,20,22 (Figuur 2, Tabel 1).

Vestiging en aanpassing van modellen van ischemische beroerte

Permanente en tijdelijke modellen van middenarterie cerebrale arterie occlusie (MCAO)
De filamentocclusiemethode, algemeen bekend als de intraluminale hechtingstechniek, is een veelgebruikte experimentele methode om focale cerebrale ischemie te induceren door de middenarteria cerebrale arterie (MCA) te blokkeren in diermodellen, met name bij knaagdieren²³. Deze techniek houdt in dat een monofilament nylon hechting via de externe halsslagader in de interne halsslagader wordt geplaatst en deze wordt verplaatst om de oorsprong van de MCA te blokkeren, waardoor lokale cerebrale ischemie wordt gesimuleerd, zoals bij mensen met een ischemische beroerte. De procedure kan resulteren in permanente of tijdelijke occlusie, afhankelijk van of het filament op zijn plaats blijft of na een bepaalde periode van ischemie wordt verwijderd om reperfusie²⁴ mogelijk te maken. Het model wordt gewaardeerd vanwege het minimaal invasieve karakter, reproduceerbaarheid en klinische relevantie, aangezien occlusie van de MCA de meest voorkomende oorzaak is van ischemische beroerte bij mensen. Het succes van het model kan worden bevestigd door een vermindering van de cerebrale bloedstroom te monitoren met behulp van Dopplerbeeldvorming en door neurologische tekorten en infarctgrootte na de procedure. Variaties in filamentdiameter, insertiediepte en duur van occlusie maken het mogelijk de ernst van de ischemische insult aan te passen en verschillende pathofysiologische mechanismen en therapeutische interventies te onderzoeken. Dit model is van cruciaal belang geweest bij het ontrafelen van de pathofysiologie van een beroerte en bij de evaluatie van neuroprotectieve middelen²⁵.

Het toepassen van het MCAO-model op dieren met diabetes brengt verschillende chirurgische uitdagingen met zich mee vanwege systemische vasculaire veranderingen die met diabetes geassocieerd worden. Diabetes veroorzaakt vasculaire fragiliteit, endotheeldisfunctie en microangiopathie, wat de integriteit van het vat en het genezingsvermogen aantast²⁶. Deze pathologische veranderingen bemoeilijken de subtiele vasculaire manipulaties die nodig zijn voor het plaatsen en verwijderen van het filament, waardoor het risico op hemorragische complicaties en intraoperatieve sterfte toeneemt. Bovendien hebben dieren met diabetes vaak een verminderde fysiologische respons, zoals veranderde regulering van de bloeddruk en vertraagde wondgenezing, wat de peri-operatieve morbiditeit kan verergeren. Hun verhoogde vatbaarheid voor ischemie-reperfusieschade en oxidatieve stress bemoeilijkt de interpretatie van experimentele uitkomsten verder. Daardoor zijn de sterftecijfers in MCAO-modellen bij dieren met diabetes hoger dan bij hun niet-diabetische tegenhangers, wat de statistische kracht en translationele relevantie beperkt²⁷. Het aanpakken van deze uitdagingen vereist nauwgezette verfijning van chirurgische technieken, waaronder voorzichtige behandeling van het vat, nauwkeurige selectie van filamenten en zorgvuldige monitoring van fysiologische parameters. Peri-operatieve strategieën, waaronder pre-operatieve glycemische controle, geoptimaliseerde anesthesieprotocollen en postoperatieve ondersteunende zorg, zijn ook cruciaal om de overleving te verbeteren en consistentie van het model bij dieren met diabetes^te waarborgen.

Er zijn verschillende methodologische ontwikkelingen geïntroduceerd om deze uitdagingen aan te pakken. Verbeteringen in filamentmaterialen, zoals siliconengecoate monofilamenten met geoptimaliseerde diameters en puntvormen, hebben een soepelere insertie mogelijk gemaakt met verminderde vasculaire verwondingen²⁹. Deze aanpassingen maken een consistentere occlusie mogelijk met minimale endotheelschade, wat vooral belangrijk is gezien de kwetsbare bloedvaten van dieren met diabetes. Chirurgische technieken zijn verfijnd om arteriële takken te behouden en trauma te minimaliseren. Zo helpen methoden die ligatie van de externe halsslagader vermijden en het repareren van de incisie van de gewone halsslagader helpen bij het behouden van de collaterale bloedstroom en het verminderen van de variabiliteit van ischemie³⁰. Pre-operatieve behandeling, met nadruk op strakke glycemische controle, vermindert door hyperglykemie veroorzaakte vasculaire disfunctie en oxidatieve stress, waardoor de chirurgische uitkomsten verbeteren en de sterfte worden verminderd. Postoperatieve zorgprotocollen, waaronder het onderhoud van normothermie, voldoende hydratatie, analgesie en monitoring van neurologische tekorten, verbeteren de modelstabiliteit verder. In sommige studies zijn neuroprotectieve middelen zoals antioxidanten (bijv. edaravon) gebruikt om ischemische schade te verminderen in modellen van diabetes³¹. Gezamenlijk dragen deze verbeteringen bij aan het opzetten van stabiele en reproduceerbare modellen van MCAO bij dieren met diabetes, waardoor translationele studies mogelijk worden die de klinische complexiteit van patiënten met ischemische beroerte^{nauwkeuriger weergeven 30,31}.

Trombo-embolische modellen
Fotochemische inductie is een experimentele benadering om focale cerebrale ischemie te creëren door gelokaliseerde trombose te genereren via de activatie van fotosensitieve kleurstoffen, zoals Rose Bengal, met behulp van gerichte laserverlichting³². Na systemische toediening van het lichtgevoelige middel produceert het verlichten van specifieke hersenvaten met een gefocuste laserstraal reactieve zuurstofsoorten die het endotheel beschadigen, waardoor bloedplaatjesaggregatie en trombusvorming op de bestraalde plaats worden geactiveerd. Deze methode maakt precieze ruimtelijke en temporele controle van de trombusvorming mogelijk, wat de studie van de mechanismen van een trombotische beroerte en evaluatie van therapeutische interventies vergemakkelijkt. Het fotochemische model reproduceert belangrijke kenmerken van trombotische beroerte bij mensen, met name endotheelletsel en in situ stolselvorming, die relevant zijn voor mensen met door trombose geïnduceerde ischemische beroerte³³. Bovendien is de techniek minimaal invasief en toepasbaar op verschillende diersoorten. In de context van diabetes, waar hypercoagulabiliteit en endotheeldisfunctie veel voorkomen, bieden fotochemische modellen een waardevol platform om de wisselwerking tussen stofwisselingsstoornissen en trombose te onderzoeken. De afhankelijkheid van dit model op exogene fotosensibilisatoren en laserapparatuur die technische expertise vereist, beperkt echter het wijdverbreide gebruik^{van 34}.

Microsfeer-embolisatie omvat intraveneuze of intraarteriële injectie van microsferen van een bepaalde grootte om cerebrale vaten mechanisch te blokkeren, waardoor multifocale embolische cerebrale ischemie³⁵ wordt geïnduceerd. Dit model is een waardevol hulpmiddel voor het onderzoeken van de mechanismen van embolische beroerte, met name de effecten van meerdere, distale microinfarcten. De grootte en het aantal microsferen kunnen nauwkeurig worden gecontroleerd om verschillende gradaties van ischemische schade en infarctverdeling te veroorzaken. Deze benadering is voordelig voor het onderzoeken van embolusvorming, vasculaire occlusie en downstream ischemische cascades³⁶. Bij dieren met diabetes, die vaak hypercoagulabeliteit en een verhoogd risico op embolie hebben, is het microsfeer-embolisatiemodel bijzonder relevant voor het onderzoeken van de wisselwerking tussen metabole disfunctie en het risico op embolische beroerte. Bovendien vergemakkelijkt dit model de evaluatie van anti-trombotische en trombolytische therapieën onder gecontroleerde embolische omstandigheden. Het microsfeermodel mist echter de biologische complexiteit van trombusvorming en -oplossing zoals bij mensen met een beroerte, aangezien emboliën inert zijn in plaats van biologisch actieve stolsels³⁷.

Het toepassen van trombo-embolische modellen bij dieren met diabetes brengt specifieke uitdagingen met zich mee. De reeds bestaande hypercoaguleerbare toestand en endotheeldisfunctie kunnen leiden tot overdreven en onvoorspelbare trombusvorming, wat mogelijk grotere infarcten of een hoger risico op hemorragische transformatie kan veroorzaken. Bij fotochemisch geïnduceerde trombose kan het nodig zijn om de doses van Rose Bengal bij diabetische dieren te titreren vanwege veranderde albuminebinding of nierclearance. Bovendien worden de technische eisen van nauwkeurige lasertargeting versterkt door de verhoogde kwetsbaarheid van durale vaten bij dieren met diabetes³⁸. Deze factoren moeten zorgvuldig worden overwogen bij het ontwerpen van experimenten.

Trombo-embolische modellen, waaronder fotochemische inductie en microsfeerembolisatie, bieden duidelijke voordelen bij het repliceren van de complexe pathofysiologie van trombotische beroerte bij mensen, vooral binnen de context van diabetes-gerelateerde hypercoagulabiliteit. In tegenstelling tot modellen van mechanische occlusie die voornamelijk vasculaire blokkades simuleren, bevatten trombo-embolische modellen dynamische processen, zoals trombose, embolie en vasculair letsel, die de onderliggende mechanismen van ischemische beroerte bij patiënten met diabetes nauwkeuriger weerspiegelen³⁹. Deze modellen maken het mogelijk om endotheeldisfunctie, bloedplaatjesactivatie, afwijkingen in de stollingscascade en ontstekingsreacties te onderzoeken die verergerd worden door diabetes. Bovendien bieden ze platforms voor het evalueren van de werkzaamheid en veiligheid van anti-trombotische therapieën en voor het onderzoeken van de mechanismen van trombusvorming en -oplossing in een hypercoaguleerbaar milieu. Aangezien diabetes wordt gekenmerkt door een verhoogd trombotisch risico, veroorzaakt door verhoogde bloedplaatjesreactiviteit, verhoogde stollingsfactoren en verminderde fibrinolyse, zijn trombo-embolische modellen bijzonder geschikt voor het bestuderen van de mechanismen van beroerte en therapeutische interventies die zijn afgestemd op diabetische aandoeningen. Bovendien komt hun vermogen om multifocale en heterogene infarcten te reproduceren overeen met klinische presentaties bij patiënten met diabetes en beroerte, waardoor de translationele relevantie⁴⁰ wordt versterkt (Figuur 3).

Belangrijke overwegingen bij het construeren van samengestelde modellen

Modeleringsreeks
De temporele sequentie die wordt gebruikt om samengestelde diermodellen van diabetes in combinatie met ischemische beroerte op te zetten, is een cruciale overweging, omdat deze verschillende klinische scenario's en onderzoeksdoelstellingen weerspiegelt⁴¹. Een veelgebruikte aanpak is het opwekken van diabetes vóór een ischemische beroerte, wat de klinische aandoening weerspiegelt waarin diabetes een langdurige risicofactor is die patiënten vatbaar maakt voor ischemische beroerte. Deze sequentie maakt het mogelijk te onderzoeken hoe chronische hyperglykemie en metabole verstoringen de pathofysiologie van ischemische beroerte beïnvloeden, inclusief veranderingen in vasculaire integriteit, ontstekingsactivatie en neuronale kwetsbaarheid⁴². Bewijs wijst erop dat chronische diabetes ischemisch hersenletsel verergert en neurologische uitkomsten verslechtert, wat het belang benadrukt van het modelleren van diabetes vóór een beroerte om deze pathologische interacties vast te leggen⁴³. Omgekeerd dient het induceren van een ischemische beroerte vóór diabetes als model voor het onderzoeken van stofwisselingsafwijkingen die ontstaan als gevolg van cerebrale ischemie. Deze benadering is waardevol om de mechanismen te verduidelijken die ten grondslag liggen aan post-ischemische beroertehyperglykemie en insulineresistentie, waarvan beide bekend zijn dat ze het hersteltraject en het recidiefrisico^{beïnvloeden 44}. De wetenschappelijke reden om de ene sequentie boven de andere te kiezen hangt af van de specifieke onderzoeksfocus; Bestaande modellen van diabetes zijn geschikt om diabetes te onderzoeken als risicofactor en modifier van beroertepathologie, terwijl modellen van post-ischemische diabetesinductiemodellen geschikt zijn voor het onderzoeken van secundaire metabole derangementen. Bovendien hebben sommige studies gelijktijdige of overlappende inductiestrategieën gebruikt om complexere pathofysiologische interacties vast te leggen⁴⁵. Over het algemeen varieert de toepasbaarheid van elke sequentie afhankelijk van de pathologische mechanismen en translationele doelen die worden aangepakt, wat de noodzaak benadrukt om het modelontwerp af te stemmen op klinisch relevante scenario's en mechanistische hypothesen⁴⁶.

Ernst en duur van diabetes
De ernst van diabetes, gekenmerkt door de mate van hyperglykemie en insulineresistentie, en de duur van de diabetische toestand vóór de inductie van ischemische beroerte, beïnvloeden de cerebrale ischemische uitkomsten in samengestelde modellen ⁴⁷ diepgaand. Verhoogde bloedglucose- en insulineresistentie zijn geassocieerd met grotere infarctvolumes, verhoogde oxidatieve stress en een verminderde integriteit van de neurovasculaire eenheid na ischemische insult⁴⁸. Langetermijnmodellen van diabetes, meestal vastgesteld door chronische blootstelling aan streptozotocine of genetische aanleg, vertonen uitgesprokenere pathologische kenmerken, zoals endotheeldisfunctie, versterkte ontstekingsreacties en slechtere functionele herstel dan kortetermijn- of acute modellen van hyperglykemie⁴⁹. Klinisch gezien correleert de langdurige duur van diabetes met hogere recidiefpercentages en sterftecijfers van beroerte, wat het belang onderstreept van het opnemen van diabeteschroniciteit in diermodellen om de relevantie van de translatie^te vergroten. Bovendien is aangetoond dat metabole controlemarkers, zoals het hemoglobine A1c-niveau, de prognose van ischemische beroerte beïnvloeden, wat suggereert dat modellen die verschillende glycemische controletoestanden vertegenwoordigen, zinvolle inzichten kunnen geven in therapeutische vensters en interventiestrategieën⁵¹. Cruciaal is dat de duur van hyperglykemie direct invloed heeft op de chirurgische uitkomsten. Chronische hyperglykemie (>4 weken bij knaagdieren) veroorzaakt aanzienlijke verdikking van het vaatbasale membraan en endotheeldisfunctie, waardoor de fragiele vaten gevoeliger zijn voor scheuren tijdens het inbrengen van het filament bij operaties uitgevoerd op het MCAO-model, waardoor de sterfte^{met 52,53} toeneemt. Het wordt daarom aanbevolen dat onderzoekers expliciet de duur en stabiliteit van de diabetische toestand rapporteren (bijvoorbeeld via seriële bloedsuikermonitoring) als cruciale variabelen voor reproduceerbaarheid en om rekening te houden met variabiliteit in infarctenvolume. Op basis van een synthese van de literatuur wordt aanbevolen een stabiele T2DM-achtergrond vast te stellen voordat een ischemische beroerte wordt opgewekt voor studies naar diabetes als risicofactor. Een typisch protocol bestaat uit acht weken vetrijk dieet, gevolgd door een lage dosis streptozotocine (35 mg/kg) ^54,55. Inductie van een beroerte (bijvoorbeeld tijdelijke MCAO) moet vier weken na streptozotocine worden uitgevoerd, zodra de hyperglykemie (nuchtere bloedsuiker >16,7 mmol/L) stabiel is. Uit onze ervaring levert deze sequentie een consistent composiet model op met een chirurgische overlevingskans van ongeveer 65%–70% bij ratten met diabetes, vergeleken met >85% bij controlegroep⁵⁶. Daarom moet de selectie van parameters die de ernst en duur van diabetes bepalen rekening houden met hun aanzienlijke modulerende effecten op ischemisch hersenletsel en herstel, waardoor pathofysiologische mechanismen en de evaluatie van therapeutische werkzaamheid in contexten die klinische heterogeniteit nabootsen, worden onderzocht.

Geslachts- en leeftijdsfactoren
Het opnemen van geslachts- en leeftijdsvariabelen in samengestelde diermodellen van diabetes en beroerte is essentieel om hun klinische relevantie te vergroten, aangezien deze factoren de ziektepathofysiologie en uitkomsten aanzienlijk beïnvloeden^57,58. Veroudering is een overheersende risicofactor voor diabetes en beroerte, en modellen van oudere dieren weerspiegelen nauwkeuriger de neurovasculaire en metabole aandoeningen die bij oudere patiënten worden waargenomen, die de meerderheid vormen van de personen met ischemische beroerte⁵⁹. Leeftijdsgebonden veranderingen, zoals een verminderde glucosestofwisseling, verhoogde oxidatieve stress en veranderde immuunreacties, kunnen de ernst van een ischemische beroerte en herstel beïnvloeden, waardoor oudere dieren nodig zijn om^{deze effecten te} vangen. Geslachtsverschillen spelen ook een cruciale rol, aangezien geslachtshormonen insulinegevoeligheid, ontstekingsroutes en neuroprotectie reguleren. Zo moduleert oestrogeen de glucosemetabolisme en biedt het gedeeltelijke bescherming tegen ischemische schade, wat het belang onderstreept van het opnemen van mannelijke en vrouwelijke dieren om geslachtsspecifieke mechanismen te verduidelijken⁶¹. Experimentele ontwerpen die rekening houden met geslacht en leeftijd faciliteren de identificatie van differentiële reacties op ischemie en diabetes, waardoor de interpreteerbaarheid en translationele relevantie van de bevindingen verbeteren. Strategieën, zoals gestratificeerde analyses en evenwichtige inclusie van beide geslachten over leeftijdsgroepen heen, worden aanbevolen om confounding te minimaliseren en beter gepersonaliseerde therapeutische benaderingen te informeren. Over het algemeen is het essentieel om rekening te houden met geslacht en leeftijd bij het opstellen van modellen om de kloof tussen preklinische studies en klinische vertaling te overbruggen (Figuur 4).

Resultaten

Samenvattend is de ontwikkeling van diermodellen die diabetes nauwkeurig weergeven, gelijktijdig met ischemische beroerte, essentieel voor het vergroten van het begrip van de complexe wisselwerking tussen metabole disregulatie, disfunctie van β-cel, vasculaire complicaties en cerebraal ischemisch letsel. Vanuit een deskundig perspectief vereist het construeren van deze samengestelde modellen een zorgvuldige, wetenschappelijk onderbouwde benadering die rekening houdt met de temporele volgorde van ziekte-inductie, precieze modulatie van de ernst van diabetes en de opname van cruciale biologische variabelen zoals geslacht en leeftijd. Deze uitgebreide modelleringsstrategie verhoogt de klinische relevantie en het translationele potentieel van preklinische bevindingen, waardoor de aanhoudende uitdagingen in studies naar ischemische beroertes en diabetes worden aangepakt.

Gezien de heterogeniteit in gepubliceerde benaderingen heeft geen enkel model de veelzijdige pathofysiologie bij patiënten met diabetes en acute ischemische beroerte volledig vastgelegd. Daarom is een combinatie van modellen die zijn afgestemd op specifieke onderzoeksdoelstellingen, variërend van mechanistische studies van diabetische vasculaire schade tot evaluaties van therapeutische effectiviteit, essentieel. Het beoordeelde bewijs benadrukt de unieke waarde van deze samengestelde modellen bij het verduidelijken van de mechanismen waarmee diabetes de ischemische beroertepathologie verergert, waaronder endotheeldisfunctie, ontsteking en verstoorde neurovasculaire reparatie. Bovendien zijn deze modellen onmisbare platforms voor het beoordelen van nieuwe neuroprotectieve middelen, waardoor de identificatie en validatie van effectieve behandelingen wordt versneld.

Onderzoekers moeten prioriteit geven aan de standaardisatie van modelconstructieprotocollen om reproduceerbaarheid en vergelijkbaarheid tussen laboratoria te waarborgen. Het ontwikkelen van diermodellen die de klinische realiteit van een vergrijzende populatie met T2DM nauwkeuriger nabootsen, is bijzonder cruciaal, gezien de demografische trends en het verhoogde risico op een ischemische beroerte bij oudere patiënten. Het integreren van multi-omics-benaderingen, zoals genomica, proteomica en metabolomics, in deze modellen biedt aanzienlijke mogelijkheden voor het identificeren van comorbiditeitsspecifieke biomarkers en therapeutische doelwitten. Deze integratieve strategieën zullen helpen de kloof tussen fundamenteel onderzoek en klinische toepassing te overbruggen, waardoor experimentele inzichten worden vertaald naar strategieën voor gepersonaliseerde geneeskunde.

Samenvattend vormt de voortdurende verfijning en toepassing van diabetes-beroerte samengestelde diermodellen een hoeksteen voor het bevorderen van mechanistische inzichten en therapeutische innovatie. Door diverse onderzoeksmethodologieën te harmoniseren en technologische vooruitgang te benutten, kunnen onderzoekers de dringende klinische uitdagingen die voortkomen uit de kruising van diabetes en ischemische beroerte effectiever aanpakken, wat uiteindelijk de patiëntuitkomsten verbetert (Figuur 5).

Voor onderzoekers die nieuw zijn in het veld wordt aanbevolen dat het beginnen met een vetrijk dieet en een lage dosis streptozotocinemodel, gecombineerd met een tijdelijke MCAO, de beste balans biedt tussen pathofysiologische relevantie en technische haalbaarheid. Omgekeerd wordt het gebruik van fotochemisch geïnduceerde trombose bij dieren met diabetes niet aangeraden zonder voorkennis, vanwege het verhoogde risico op variabele infarctgroottes en chirurgische complicaties.

Figuur 1. Pathofysiologische mechanismen van ischemische beroerte verergerd door diabetes. Het schema illustreert de belangrijkste routes waardoor diabetes cerebrale ischemische schade versterkt. Paneel A toont metabole disregulatie (hyperglykemie en insulineresistentie), wat leidt tot oxidatieve stress en mitochondriale disfunctie. Paneel B toont vasculaire endotheeldisfunctie, verminderde BBB-integriteit en verdikking van het basale membraan. Panel C benadrukt de verhoogde neuro-inflammatoire respons, waarbij geactiveerde microglia (Iba-1+) pro-inflammatoire cytokines vrijgeeft (IL-1β, TNF-α). Afkortingen: BBB, bloed-hersenbarrière; ROS, reactieve zuurstofsoorten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2. Opstelling van diermodellen van diabetes: T1DM en T2DM. Veelgebruikte methoden om T1DM en T2DM bij knaagdieren op te wekken. Linker paneel: Streptozotocine-injectieprotocollen voor T1DM. Rechter paneel: Dieet-, genetische (db/db, ob/ob) en gecombineerde (hoog-vet dieet + lage dosis streptozotocine) modellen voor T2DM. Belangrijke kenmerken en beperkingen van elk model worden vermeld. Afkortingen: T1DM, type 1 diabetes mellitus; T2DM, type 2 diabetes mellitus. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3. Chirurgische en trombo-embolische modellen van ischemische beroerte. De belangrijkste modellen van ischemische beroerte zijn aangepast voor dieren met diabetes. A: Filament-gebaseerde midden-cerebrale arterie occlusie (MCAO) bij permanente of voorbijgaande ischemie. B: Trombo-embolisch model met Rose Bengal en laserverlichting om gelokaliseerde trombose te induceren. C: Microsfeer-embolisatiemodel dat multifocale infarcten produceert. Technische overwegingen voor diabetische bloedvaten worden genoteerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4. Constructie van samengestelde diermodellen van diabetes en ischemische beroerte. Kritieke variabelen om te overwegen bij het combineren van modellen van diabetes en beroerte: temporele sequentie (eerst diabetes versus eerst ischemische beroerte), ernst en duur van diabetes, en biologische variabelen (leeftijd en geslacht). De wisselwerking van deze factoren bepaalt de klinische relevantie en het translationele nut van het samengestelde model. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5. Fenotypische beoordeling en translationele toepassingen van modellen van diabetes en ischemische beroerte. Belangrijke uitkomstmaten voor het evalueren van modellen van diabetes en beroerte, waaronder infarctenvolume, neurologische tekorten, cognitieve functie, vasculaire pathologie en ontstekingsmarkers. Translationele toepassingen, zoals geneesmiddelscreening, biomarkerontdekking en mechanismestudies, die deze modellen mogelijk maken, worden ook benadrukt. Afkortingen: MRI, magnetische resonantiebeeldvorming; mNSS, aangepaste neurologische ernstscore; SNHG4, klein nucleolair RNA-gastheergen 4; HbA1c, hemoglobine A1c. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Onderzoeksdoel	Aanbevolen diabetesmodel	Aanbevolen slagmodel	Belangrijke Sterke Punten voor dit doel	Kritische beperkingen / Noten
Neuroprotectiescreening	Dieet+STZ (T2DM)	Voorlopige MCAO (tMCAO)	Imiteert veelvoorkomende T2DM-patiëntprofielen; Reperfusie maakt gerichte studie van neuroprotectieve middelen mogelijk	Hoge sterftecijfers bij diabetische ratten; vereist nauwkeurige, ervaren chirurgische uitvoering
Trombose / Anti-bloedplaatje	Genetisch (db/db)	Fotothrombose	Herhaalt diabetische hypercoaguleerbare toestand; Lokale trombose-modellen van plaque-ruptuurgebeurtenissen	Laseruitlijning vereist geavanceerde technische vaardigheden; De samenstelling van stolsels verschilt van menselijke pathologie
Ontsteking / Microglia	STZ (T1DM)	Permanente MCAO (pMCAO)	Ernstige hyperglykemie veroorzaakt een overdreven ontstekingsreactie; Geen reperfusie elimineert verstorende variabelen	Repliceert insulineresistentie, een belangrijk kenmerk bij de meeste klinische beroertepatiënten, niet
Vasculaire reparatie / angiogenese	Aged + Dieet+STZ	Trombo-embolie (Stolsel)	Combineert verouderd vasculair fenotype met diabetische vasculopathie om een beperking na beroerteherstel na te bootsen	Hoge variabiliteit in stolsellokalisatie en het resulterende infarctvolume

Tabel 1. Richtlijnen voor het selecteren van samengestelde modellen van diabetes en ischemische beroerte op basis van onderzoeksdoelen.