Przewlekłe podawanie izoproterenolu za pomocą wszczepionej pompy osmotycznej było szeroko stosowane do naśladowania zaawansowanej niewydolności serca u myszy. W tym miejscu opisano szczegółowe metody implantacji minipompy chirurgicznej do ciągłego podawania izoproterenolu przez 3 tygodnie, a także ocenę echokardiograficzną dla pomyślnego stworzenia modelu.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Implantacja minipompy izoproterenolu w celu wywołania niewydolności serca u myszy
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Isoproterenol (ISO), jest nieselektywnym agonistą receptorów beta-adrenergicznych, który jest szeroko stosowany do wywoływania uszkodzeń serca u myszy. Podczas gdy model ostry naśladuje kardiomiopatię wywołaną stresem, model przewlekły, podawany przez pompę osmotyczną, naśladuje zaawansowaną niewydolność serca u ludzi. Celem opisanego protokołu jest stworzenie modelu przewlekłej niewydolności serca wywołanej przez ISO u myszy za pomocą wszczepionej minipompy. Protokół ten został wykorzystany do wywołania niewydolności serca u 100+ szczepów myszy wsobnych. Techniki implantacji pompy chirurgicznej są szczegółowo opisane i mogą być istotne dla wszystkich zainteresowanych stworzeniem modelu niewydolności serca u myszy. Ponadto przedstawiono tygodniowe zmiany w przebudowie serca na podstawie parametrów echokardiograficznych dla każdego szczepu oraz oczekiwanego czasu do rozwoju modelu. Podsumowując, metoda jest prosta i powtarzalna. Ciągłe ISO podawane za pomocą wszczepionej minipompy przez 3 do 4 tygodni jest wystarczające do wywołania przebudowy serca. Wreszcie, sukces w tworzeniu modelu ISO można ocenić in vivo za pomocą seryjnej echokardiografii wykazującej przerost, rozszerzenie komór i dysfunkcję.
Wprowadzenie
Niewydolność serca ze zmniejszoną frakcją wyrzutową (HFrEF) towarzyszy dobrze rozpoznana odpowiedź kompensacyjna układu współczulnego układu nerwowego na utrzymanie homeostazy układu sercowo-naczyniowego1. Stres hemodynamiczny i szkodliwy wpływ na serce i krążenie obserwowano przy przewlekłej aktywacji. Stały się one kamieniem węgielnym współczesnej farmakoterapii niewydolności serca i są ważnymi mechanizmami w postępie niewydolności serca i antagonizmie terapeutycznym układów neurohormonalnych1.
Dostępnych jest kilka modeli myszy do podstawowych badań nad niewydolnością serca. Modele genetyczne są atrakcyjne dla badania terapii molekularnych i szlaków sygnałowych. Jednak modele te mogą nie być odpowiednie dla powszechnych form niewydolności serca. Inne popularne modele obejmują podwiązanie lewej tętnicy przedniej zstępującej (LAD), zwężenie przezaortalne (TAC) i izoproterenol (ISO), z których każdy ma na celu inną etiologię patologiczną2,3,4,5,6. Podwiązanie tętnicy LAD indukuje zawał mięśnia sercowego ściany przedniej, tworząc w ten sposób model specyficzny dla kardiomiopatii niedokrwiennej. TAC indukuje ostre przeciążenie ciśnieniem, tworząc nadciśnieniowy model niewydolności serca. Chociaż gradient ciśnienia może być mierzony, co pozwala na stratyfikację hipertrofii, ostry początek nadciśnienia tętniczego nie ma bezpośredniego znaczenia klinicznego4. Zarówno modele LAD, jak i TAC wymagają wysokiego poziomu wiedzy chirurgicznej. Ostry model ISO niewydolności serca naśladuje kardiomiopatię wywołaną stresem, znaną również jako choroba takotsubo, która charakteryzuje się wyraźnym wzrostem katecholamin i aktywności w lewej komorze, która naśladuje ostry zawał mięśnia sercowego7,8. W przeciwieństwie do tego, przewlekłe modele ISO niewydolności serca prezentują objawy charakterystyczne dla zaawansowanej niewydolności serca, z przewlekle podwyższonym poziomem katecholamin1. Zaletą przewlekłego modelu ISO jest to, że zapewnia on przewlekłą stymulację adrenergiczną, która naśladuje zaawansowaną niewydolność serca i jest stosunkowo łatwa do stworzenia. Badacz powinien wybrać model, który najlepiej podsumowuje jego patologię, która go interesuje.
Ogólnym celem tej metody jest wywołanie niewydolności serca u myszy za pomocą wszczepionej mini pompy, która w sposób ciągły uwalnia ISO, aby naśladować przewlekłą aktywację układu współczulnego występującą u pacjentów z niewydolnością serca1. Metoda jest prosta i powtarzalna. Chociaż istnieją wyraźne różnice między szczepami myszy, ISO podawane przez 3 do 4 tygodni w dawce 30 mg/kg/dobę jest wystarczające, aby wywołać przebudowę serca u większości myszy. W szczególności ISO prowadzi do pro-hipertroficznej fazy kompensacyjnej w 1 tygodniu, po której następuje ścieńczenie ścian, rozszerzenie komór i spadek funkcji skurczowej do 2 tygodnia i 32. Sukces stworzenia modelu ISO można ocenić in vivo za pomocą seryjnej echokardiografii wykazującej przerost, rozszerzenie i dysfunkcję komór, a także ex vivo poprzez histologiczną i molekularną ocenę pobranej tkanki serca pod kątem akumulacji lipidów w mięśniu sercowym, zwłóknienia, stresu ER, apoptozy i ekspresji genów9,10,11,12.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
Ten protokół jest zgodny z wytycznymi Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles dotyczącymi opieki nad zwierzętami (protokół ARC #2010-075). Czytelnikom zaleca się przestrzeganie własnego protokołu zatwierdzonego przez IACUC, ponieważ opieka nad myszami przed zabiegiem i leczenie przeciwbólowe mogą być specyficzne dla danej instytucji.
1. Przygotowanie pompy osmotycznej izoproterenolu
UWAGA: Ta procedura została z powodzeniem zastosowana na 9+ tygodniowych samicach myszy o wadze 18+ g z ponad 100 wsobnych szczepów myszy, a także na samcach myszy w podzbiorze szczepów. Nie ma maksymalnego limitu masy ciała dla tej procedury. Zawsze należy uwzględnić grupę kontrolną dopasowaną do wieku, ponieważ nie wiadomo, czy wiek leczenia wpływa na podatność na rozwój niewydolności serca wywołaną izoproterenolem.
- Zważ i zapisz masę ciała każdej myszy.
- Obliczyć odpowiednią ilość i stężenie izoproterenolu dla każdej myszy (patrz Tabela 1 ; Plik uzupełniający).
UWAGA: Pompy osmotyczne użyte w tym eksperymencie (tabela materiałów) mają pojemność zbiornika 100 μl i są przeznaczone do dostarczania leków z ciągłym natężeniem przepływu przez okres do 28 dni. Przygotować dodatkowe 20 μl roztworu izoproterenolu na pompę, aby uwzględnić utratę objętości w rurce napełniającej podczas ładowania pompy. - Odważyć odpowiednią ilość izoproterenolu (tabela 1) za pomocą wagi analitycznej i rozpuścić go w 120 μl sterylnego 0,9% roztworu NaCl. Pipetować energicznie lub wirować przez 1 minutę, aby całkowicie rozpuścić izoproterenol.
UWAGA: Przygotuj pompy osmotyczne w laboratoryjnej komorze bezpieczeństwa biologicznego. Z pompami należy obchodzić się w rękawicach chirurgicznych. Technika sterylna jest zalecana podczas przygotowywania pomp osmotycznych oraz podczas zabiegu implantacji chirurgicznej. - Zważyć i zapisać pustą pompę osmotyczną wraz z jej moderatorem przepływu, a następnie wyjąć moderator przepływu.
- Odessać 120 μl roztworu izoproterenolu do strzykawki o pojemności 1,0 ml i podłączyć rurkę napełniającą o końcówce o rozmiarze 27 rozmiarów, dostarczoną z pompami osmotycznymi.
UWAGA: Upewnij się, że strzykawka i rurka napełniająca są wolne od pęcherzyków powietrza. - Trzymając pompę w pozycji pionowej, włóż rurkę napełniającą przez otwór pompy u góry, aż końcówka rurki napełniającej znajdzie się w pobliżu dna zbiornika pompy.
- Załadować pompę osmotyczną, powoli popychając tłok strzykawki, aż roztwór izoproterenolu wypełni się do otworu pompy.
- Ostrożnie wyjmij rurkę napełniającą i zetrzyj nadmiar roztworu.
- Włóż z powrotem moderator przepływu, aby zamknąć pompę i zetrzyj nadmiar roztworu.
- Upewnij się, że ponad 90% objętości zbiornika zostało napełnione, ponownie ważąc pompę osmotyczną.
UWAGA: Pompy sterujące przygotowuje się w ten sam sposób, napełniając zbiornik pompy sterylnym 0,9% roztworem NaCl.
2. Przygotowanie narzędzi chirurgicznych
- Wyczyść wszystkie narzędzia chirurgiczne, w tym oświetlacz mikroskopu światłowodowego z pierścieniem O-ring, 2 kleszcze, uchwyt na igły, sterylizatory gorących koralików, szklane koraliki i nożyczki (tabela materiałów).
- Autoklaw narzędzi chirurgicznych w temperaturze 121°C przez 30 minut, aby wysterylizować narzędzia przed zabiegiem.
3. Chirurgiczna implantacja pompy osmotycznej izoproterenolu
- Wywołaj znieczulenie, umieszczając mysz w komorze indukcyjnej z 3% izofluranem w 95% O2 i 5% CO2. Utrzymuj znieczulenie za pomocą 2% izofluranu przez nos.
- Podawać 5 mg/kg karprofenu s.c. na kark między łopatkami w celu znieczulenia.
- Umieść maść okulistyczną na oczach, aby zapobiec odwodnieniu rogówki.
- Sprawdź głębokość znieczulenia, monitorując częstość oddechów, odruch szczypania palców u nóg i kolor błony śluzowej.
- Umieść mysz w pozycji leżącej na rozgrzanej podkładce. Usuń włosy z dolnej części brzucha i zdezynfekuj skórę betadyną lub chlorheksydyną.
UWAGA: Aby zminimalizować infekcję pooperacyjną, upewnij się, że pole operacyjne jest wolne od incydentywnych włosów. - Użyj nożyczek chirurgicznych, aby wyciąć nacięcie skóry w linii środkowej o długości 1 cm. Użyj nożyczek o końcach, aby ostrożnie wypreparować skórę z leżących pod nią ścian otrzewnej.
UWAGA: Preferowany jest poród dootrzewnowy, aby dostosować się do wielkości pompy. - Odciągnij ściany otrzewnej od leżącego poniżej jelita za pomocą kleszczy i wytnij 0,8 cm otwór w ścianach otrzewnej za pomocą cienkich nożyczek chirurgicznych.
- Włóż pompę osmotyczną do jamy otrzewnej końcówką moderatora przepływu do przodu.
- Zamknąć uchwyt w ścianach otrzewnej za pomocą szwów wchłanialnych 5.0 w sposób przerywany. Użyj niewchłanialnych szwów 6.0, aby zamknąć nacięcie skóry w przerywany sposób.
- Umieść mysz w dedykowanym inkubatorze, aby utrzymywała ją w cieple i suchości podczas rekonwalescencji. Oceń powrót do zdrowia po znieczuleniu, monitorując mysz co 30 minut w ciągu pierwszych dwóch godzin, aby przywrócić normalne oddychanie i ruch.
- Gdy mysz w pełni wyzdrowieje ze znieczulenia, wróć do rutynowego pomieszczenia. Kontynuuj monitorowanie zwierzęcia pod kątem powikłań codziennie przez okres do 3 dni, a następnie co 2 do 3 dni, aż do zakończenia eksperymentu.
UWAGA: Zwierzęta powinny być monitorowane pod kątem objawów bólu pooperacyjnego lub infekcji, objawów utraty masy ciała, braku mobilności, nieprawidłowej postawy, braku pielęgnacji oraz nadmiernego lizania lub gryzienia miejsca nacięcia. - Karprofen w dawce 5 mg/kg mc. należy podawać co 24 godziny przez okres do 48 godzin, a następnie w razie potrzeby.
- Podawać 0,25 mg/ml amoksycyliny w wodzie do picia przez 5 dni, aby zapobiec zakażeniom miejsca operowanego.
- Usuń niewchłanialne szwy po 7 do 10 dniach.
4. Ocena echokardiograficzna w znieczuleniu
UWAGA: Ocena echokardiograficzna może być wykonywana wielokrotnie w celu monitorowania seryjnej przebudowy serca przez kilka tygodni. Wykonywaliśmy pomiary echokardiograficzne w odstępach tygodniowych przez 3 tygodnie.
- Wywołaj znieczulenie w komorze indukcyjnej z 1,25% do 1,5% izofluranu. Po odpowiednim uspokojeniu przymocuj mysz do platformy echokardiograficznej za pomocą taśmy, umożliwiając myszowi dalsze otrzymywanie znieczulenia przez stożek nosowy.
- Zmniejsz dawkę izofluranu do dawki podtrzymującej 1%, aby zminimalizować negatywne chronotropowe i inotropowe skutki nadmiernego uspokojenia. Należy zwrócić uwagę na częstość oddechów i akcji serca przez cały czas trwania badania i w razie potrzeby dostosować dawkę izofluranu.
- Usuń włosy na klatce piersiowej za pomocą balsamu do depilacji i wytrzyj klatkę piersiową z włosów.
- Umieść żel ultrasonograficzny na klatce piersiowej i ustaw sondę ultrasonograficzną tak, aby obrazować serce.
- W trybie B zobrazuj lewą komorę (LV) w widoku przymostkowym w osi długiej. Wyreguluj platformę echokardiograficzną, aby wyrównać zastawkę aortalną i wierzchołek lewej komory w płaszczyźnie wiązki ultrasonograficznej.
- Przechylić platformę echokardiograficzną, aby ustawić długą oś lewej komory pod kątem 90 stopni do wiązki ultrasonograficznej, a maksymalną średnicę lewej komory w środku obrazu.
- Wyobraź sobie krótką oś LV, obracając sondę ultradźwiękową o 90 stopni.
- W trybie M zmierz grubość ścianki nn i wymiary wewnętrzne.
- Umieść mysz z powrotem w klatce. Monitoruj powrót normalnego oddechu i spontanicznych ruchów ciała.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
W naszym wcześniej opublikowanym badaniu podawaliśmy dawkę ISO 30 mg/kg/d przez 21 dni za pomocą pompy osmotycznej u 105 szczepów z Panelu Różnorodności Myszy Hybrydowych (HMDP)2,13. Wyniki oceniano za pomocą echokardiogramu wykonanego w punkcie wyjściowym oraz w 1., 2. i 3. tygodniu leczenia ISO (Rysunek 1). Podobnie jak w poprzednim badaniu, w którym autorzy analizowali wpływ izoproterenolu u 23 szczepów myszy14
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Zastosowaliśmy tę metodę do ponad 100+ szczepów myszy wsobnych, aby ocenić wyniki kardiologiczne spowodowane przewlekłą stymulacją beta-adrenergiczną 2,13. Wiadomo, że znaczące różnice w wrażliwości na izoproterenol istnieją wśród szczepów myszy i mogą być dostosowane do interesującego szczepu w razie potrzeby16. Może to być spowodowane różnicami w funkcji receptora beta-adrenergicznego między szczepami myszy17, zal...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy dziękują NIH K08 HL133491 za wsparcie finansowe.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| System pomp mikroosmotycznych z moderatorem przepływu na miejscu | Alzet | Model 1004 | Zawiera rurkę napełniającą, moderator przepływu i korpus pompy |
| (-)-Chlorowodorek izoproterenolu | Sigma-Aldrich | 16504-1G | (-)-Chlorowodorek izoproterenolu to proszek, który należy przechowywać w temperaturze -20 stopni Celsjusza. |
| Sterylna strzykawka 1 ml | VWR | BD309602 | |
| 30 W LED Światłowód O-ring Mikroskop oświetlacz | AmScope | SKU: LED-30WR | |
| 5-0 COATED VICRYL (poliglaktyna 910) Szew | Ethicon | J303H | 5-0, wchłanialne |
| cienkie nożyczki - Sharp | FST | 14060-09 | |
| Koraliki szklane | FST | 18000-46 | |
| Gorący koralik | sterylizatory FST | 18000-50 | |
| Kleszczyki do tęczówki | WPI | 15915 | |
| Look Sharpoint 6-0, 18" nylonowy szew monofilamentowy | LOOK | AA-2176 | 6-0, niewchłanialny |
| Uchwyt na igły | WPI | 15926 | |
| Sól fizjologiczna, 0,9% NaCl | Fisher | 89167-772 |
Bibliografia
- Hartupee, J., Mann, D. L. Neurohormonal activation in heart failure with reduced ejection fraction. Nature Review Cardiology. 14 (1), 30-38 (2017).
- Wang, J. J., et al. Genetic Dissection of Cardiac Remodeling in an Isoproterenol-Induced Heart Failure Mouse Model. PLoS Genetics. 12 (7), 1006038(2016).
- Balakumar, P., Singh, A. P., Singh, M. Rodent models of heart failure. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 56 (1), 1-10 (2007).
- Patten, R. D., Hall-Porter, M. R. Small animal models of heart failure: development of novel therapies, past and present. Circulation: Heart Failure. 2 (2), 138-144 (2009).
- Huang, W. Y., Aramburu, J., Douglas, P. S., Izumo, S. Transgenic expression of green fluorescence protein can cause dilated cardiomyopathy. Nature Medicine. 6 (5), 482-483 (2000).
- Breckenridge, R. Heart failure and mouse models. Disease Model and Mechanism. 3 (3-4), 138-143 (2010).
- Wittstein, I. S., et al. Neurohumoral features of myocardial stunning due to sudden emotional stress. New England Journal of Medicine. 352 (6), 539-548 (2005).
- Templin, C., et al. Clinical Features and Outcomes of Takotsubo (Stress) Cardiomyopathy. New England Journal of Medicine. 373 (10), 929-938 (2015).
- Shao, Y., et al. A mouse model reveals an important role for catecholamine-induced lipotoxicity in the pathogenesis of stress-induced cardiomyopathy. European Journal of Heart Failure. 15 (1), 9-22 (2013).
- Kudej, R. K., et al. Effects of chronic beta-adrenergic receptor stimulation in mice. Journal of Molecular Cell Cardiology. 29 (10), 2735-2746 (1997).
- Zhuo, X. Z., et al. Isoproterenol instigates cardiomyocyte apoptosis and heart failure via AMPK inactivation-mediated endoplasmic reticulum stress. Apoptosis. 18 (7), 800-810 (2013).
- El-Demerdash, E., Awad, A. S., Taha, R. M., El-Hady, A. M., Sayed-Ahmed, M. M. Probucol attenuates oxidative stress and energy decline in isoproterenol-induced heart failure in rat. Pharmacology Research. 51 (4), 311-318 (2005).
- Rau, C. D., et al. Mapping genetic contributions to cardiac pathology induced by Beta-adrenergic stimulation in mice. Circulation Cardiovascular Genetics. 8 (1), 40-49 (2015).
- Berthonneche, C., et al. Cardiovascular response to beta-adrenergic blockade or activation in 23 inbred mouse strains. PLoS One. 4 (8), 6610(2009).
- Chang, S. C., Ren, S., Rau, C. D., Wang, J. J. Isoproterenol-Induced Heart Failure Mouse Model Using Osmotic Pump Implantation. Methods Molecular Biology. 1816, 207-220 (2018).
- Shusterman, V., et al. Strain-specific patterns of autonomic nervous system activity and heart failure susceptibility in mice. American Journal of Physiology-Heart Circulation Physiology. 282 (6), 2076-2083 (2002).
- Faulx, M. D., et al. Strain-dependent beta-adrenergic receptor function influences myocardial responses to isoproterenol stimulation in mice. American Journal of Physiology-Heart Circulation Physiology. 289 (1), 30-36 (2005).
- Zhang, G. X., et al. Cardiac oxidative stress in acute and chronic isoproterenol-infused rats. Cardiovascular Research. 65 (1), 230-238 (2005).
- Boluyt, M. O., et al. Isoproterenol infusion induces alterations in expression of hypertrophy-associated genes in rat heart. American Journal of Physiology. 269 (2), Pt 2 638-647 (1995).
- Hohimer, A. R., Davis, L. E., Hatton, D. C. Repeated daily injections and osmotic pump infusion of isoproterenol cause similar increases in cardiac mass but have different effects on blood pressure. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 83 (2), 191-197 (2005).
- Cross, H. R., Murphy, E., Koch, W. J., Steenbergen, C. Male and female mice overexpressing the beta(2)-adrenergic receptor exhibit differences in ischemia/reperfusion injury: role of nitric oxide. Cardiovascular Research. 53 (2), 662-671 (2002).
- Klingman, G. I., McKay, G., Ward, A., Morse, L. Chronic isoproterenol treatment of mice: effects on catecholamines and rectal temperature. Journal of Pharmaceutical Sciences. 62 (5), 798-801 (1973).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
