Udar mózgu jest główną przyczyną niepełnosprawności i piątą najczęstszą przyczyną zgonów w Stanach Zjednoczonych1. Około 87% wszystkich udarów to udary niedokrwienne, podczas gdy większość z pozostałych 13% to udary krwotoczne2. Udar niedokrwienny definiuje się jako zablokowanie przepływu krwi w tętnicy do otaczającej tkanki. Ta okluzja powoduje niedobór tlenu i późniejszą martwicę, która często prowadzi do trwałej niepełnosprawności u pacjentów, którzy przeżyli. Chociaż nastąpił spadek śmiertelności z powodu udaru mózgu3, oczekuje się, że do 2030 r. jego częstość występowania wzrośnie do 3,4 miliona osób4. Ten wzrost liczby niepełnosprawnych osób, które przeżyły, i wynikające z tego obciążenie ekonomiczne doprowadziły do nacisku na badania nad udarem, które koncentrują się na mechanizmach naprawy neuronów. Po udarze następuje okres zapalny, który prowadzi do powstania blizny, która zapobiega rozszerzaniu się martwiczego obszaru. Obszar otaczający rdzeń martwiczy jest określany jako "okołozawałowy" i istnieją mocne dowody na to, że plastyczność w tym regionie, która obejmuje zwiększoną angiogenezę, neurogenezę i kiełkowanie aksonów, jest bezpośrednio związana z obserwowanym powrotem do zdrowia w modelach zwierzęcych i ludziach5. Ponieważ nie ma modeli in vitro, które mogłyby prawidłowo odtworzyć złożone interakcje po udarze, modele zwierzęce są niezbędne w badaniach nad udarem.
Istnieje kilka modeli in vivo, które mogą być użyte do wywołania udaru niedokrwiennego. Jednym z najczęstszych modeli stosowanych u myszy jest okluzja tętnicy środkowej mózgu lub MCAo, poprzez dystalną lub proksymalną (za pośrednictwem włókna wewnątrztętniczego) okluzji. Model proksymalny, znany również jako włókno MCAo (fMCAo), zazwyczaj powoduje duże udary niedokrwienne, które obejmują od 5% do 50% półkuli mózgowej, w zależności od liczby czynników6. W tych modelach szew lub włókno jest przesuwane z tętnicy szyjnej wewnętrznej do podstawy tętnicy środkowej mózgu (MCA) i utrzymywane na miejscu przez określony czas. Ta metoda okluzji, która może być tymczasowa lub trwała, powoduje zawał, który jest wyśrodkowany w prążkowiu i może, ale nie musi, obejmować nałożenie kory mózgowej6. Uzyskana wielkość skoku jest bardzo zmienna, a techniki obrazowania, takie jak doppler laserowy, są wymagane, aby potwierdzić skuteczność zabiegu u każdej myszy. Okluzja filamentu wewnątrztętniczego lub wewnątrzświetlnego, która trwa dłużej niż 30 minut, powoduje pociągnięcia na większym końcu zakresu rozmiarów. Niektórzy badacze skupili się na krótszych czasach okluzji włókien, które wymagają znacznego skupienia eksperymentalnego i walidacji laboratoryjnej7. Modele MCAo włókien u myszy przebiegają podobne etapy śmierci komórki, progresji niedokrwiennej i tworzenia obszaru okołozawałowego, jak obserwowano w przypadkach udaru u ludzi; Jednak większe udary bardziej przypominają stan chorobowy złośliwych zawałów mózgu, które są mniej powszechne, mniej uleczalne u ludzi6. Tymczasem dystalna niedrożność MCA wymaga bardziej skomplikowanej operacji i kraniektomii. W tym modelu dystalna część MCA, która biegnie wzdłuż powierzchni mózgu, jest bezpośrednio zasłonięta opaską szwową lub kauteryzacją. W niektórych odmianach tej techniki tętnice szyjne są jednostronnie lub przejściowo obustronnie niedrożne. Zaletą dystalnego MCAo jest to, że wytwarza on udar oparty na korze mózgowej, który jest mniej zmienny pod względem wielkości niż model żarnika. Jednak model dystalny powoduje gorsze wyniki behawioralne z powodu przecięcia tętnicy szyjnej zewnętrznej (ECA), co jest również problemem w przypadku fMCAo6.
Alternatywnym modelem udaru, który jest znany z tego, że jest mniej inwazyjny, jest model fotozakrzepowy (PT). Model PT skutkuje dobrze zdefiniowaną lokalizacją niedokrwienia i jest związany z wysokim wskaźnikiem przeżycia8. Technika ta opiera się na światłoczułym barwniku wstrzykiwanym dootrzewnowo, który pozwala na wewnątrznaczyniowe fotoutlenianie po prostu poprzez naświetlanie pożądanej tkanki światłem lub laserem9. Po wzbudzeniu powstają rodniki tlenowe, które powodują uszkodzenie śródbłonka, co aktywuje agregację płytek krwi i tworzenie skrzepów w napromieniowanym obszarze8,9. Ścisła kontrola nad rozmiarem i lokalizacją skoku, a także wysoka odtwarzalność modelu PT sprawiają, że idealnie nadaje się on do badania biomateriałów. Chociaż precyzja jest możliwa dzięki laserowi i współrzędnym stereotaktycznym, istnieją pewne wady, które mogą sprawić, że model ten będzie mniej idealny do niewielu badań. W przeciwieństwie do modelu fMCAo, model skoku PT nie może być ponownie sperfuzowany. W związku z tym materiały do badania środków neuroprotekcyjnych specyficznych dla uszkodzeń po reperfuzji lub mechanizmów po reperfuzji nie byłyby tutaj przydatne8. Dodatkowo, ze względu na urazy mikronaczyniowe modelu PT, obserwuje się stosunkowo mały półcień niedokrwienny. Zamiast tego występuje miejscowy obrzęk naczyniopochodny, który jest nietypowy dla udaru u człowieka, co sprawia, że model ten jest niepożądany w przedklinicznych badaniach leków skoncentrowanych na obszarze okołozawałowym6,8.
Ogólnym celem strategii biomateriałów w udarze mózgu jest albo dostarczenie czynników bioaktywnych, albo działanie jako zastępcza macierz zewnątrzkomórkowa dla wzrostu tkanki mózgowej. Jedną ze strategii, którą będziemy badać przy użyciu naszych metod, jest dostarczanie hydrożelu bezpośrednio do rdzenia udaru, w przeciwieństwie do tkanki okołozawałowej, gdzie dostarczanych jest wiele obecnych terapii komórkowych10. Uzasadnieniem tego podejścia jest to, że dostarczenie do martwiczej tkanki znajdującej się w rdzeniu pozwoli uniknąć zakłócenia otaczającej zdrowej lub regenerującej się tkanki. Zakładamy, że dyfuzja wszelkich substancji czynnych zawartych w biomateriale będzie w stanie dotrzeć do okołozawałowego z rdzenia, zwłaszcza, że okazuje się, że dostarczanie biomateriałów hydrożelowych zmniejsza grubość blizny glejowej11. Jest to ważne, ponieważ wykazano, że obszar okołozawałowy wykazuje neuroplastyczność po udarze, co czyni go atrakcyjnym celem. Co więcej, dostarczenie macierzy zastępczej do rdzenia udaru może być obciążone czynnikami angiogenicznymi12 lub neurogenic13, które kierują tworzeniem nowej tkanki, a także komórkami do dostarczania14. Dostarczanie komórek jest znacznie ulepszone dzięki zastosowaniu matrycy, ponieważ chroni ona komórki przed silnymi siłami iniekcji i lokalnym środowiskiem obecnym podczas porodu, a także zachęca do różnicowania i wszczepiania15.
Te wstrzykiwalne biomateriały terapeutyczne mają kliniczne znaczenie w zastosowaniach związanych z udarem, ponieważ obecnie nie ma terapii medycznych, które stymulowałyby regenerację neuronów po udarze. Podstawowe obwody neuronalne zaangażowane w powrót do zdrowia leżą w tkance mózgowej, która sąsiaduje z rdzeniem udarowym16, podczas gdy sam rdzeń udaru jest pozbawiony żywotnej tkanki nerwowej. Przewidujemy, że dostarczenie biomateriału do rdzenia martwiczego udaru ma potencjał do stymulowania sąsiedniej tkanki do procesów regeneracyjnych poprzez szereg wcześniej wymienionych mechanizmów, w tym uwalnianie czynników wzrostu w magazynie13, stymulację wzrostu tkanek i promowanie powrotu do rozwoju tkanki mózgowej11,12, zmiana odpowiedzi immunologicznej17oraz dostarczanie leków pochodzących z komórek macierzystych14,18. Jednak, aby skutecznie zbadać możliwości tych zastosowań, potrzebna jest spójna i powtarzalna metoda wywoływania udaru mózgu i wstrzykiwania biomateriałów. Model skoku PT wykorzystuje techniki, które zapewniają precyzyjną kontrolę nad orientacją i położeniem pociągnięcia. Laser przymocowany do urządzenia stereotaktycznego kieruje orientacją, a pompy podłączone do urządzeń stereotaktycznych kontrolują szybkość wtryskiwania materiału bez potrzeby dodatkowych form obrazowania. Dlatego zdecydowaliśmy się opisać metody wykonywania udaru PT w korze ruchowej myszy oraz wstrzykiwania biomateriałów do rdzenia udaru. W tym przypadku używamy hydrożeli z mikroporowatymi cząstkami wyżarzonymi (MAP) jako biomateriału do wstrzykiwań bez dodatku komórek lub czynników wzrostu. Ponadto wyjaśniamy, jak skutecznie odzyskać mózg z nienaruszonym biomateriałem i omawiamy testy immunochemiczne stosowane do analizy wyniku udaru z wstrzyknięciem biomateriałów i bez niego.