Этот протокол описывает процесс индукции модели ишемической комы головного мозга с использованием модифицированного метода четырехсосудистой окклюзии.
Методическая статья
* These authors contributed equally
Этот протокол описывает процесс индукции модели ишемической комы головного мозга с использованием модифицированного метода четырехсосудистой окклюзии.
Кома, вызванная ишемией головного мозга, является наиболее серьезным осложнением ишемии головного мозга. Четырехсосудистая окклюзия может создать модель ишемической комы головного мозга для исследования заболевания и разработки лекарств. Тем не менее, обычно используемый метод четырехсосудистой окклюзии в основном включает введение электрокоагуляционной ручки в двустороннее крыловидное отверстие первого шейного позвонка за шеей для электрокоагуляции позвоночных артерий. Этот процесс несет в себе риск неполной электрокоагуляции, кровотечения, повреждения ствола головного и спинного мозга. Через двадцать четыре часа после операции крысам под наркозом проводят перевязку сонной артерии перед шеей. Две операции подвергают крыс более высокому риску заражения и увеличивают экспериментальный период. В этом исследовании, во время одной хирургической процедуры, был использован передний шейный разрез для определения ключевого участка, где позвоночная артерия проникает в первый шейный позвонок. Двусторонние позвоночные артерии были прижиганы электрокаутеризацией в визуальных условиях, в то время как двусторонние общие сонные артерии были разделены для размещения свободных узлов. Когда конечности крыс начинали дергаться, двусторонние общие сонные артерии быстро перевязывались, вызывая ишемическую кому. Этот метод позволяет избежать риска инфицирования, вызванного двумя хирургическими операциями, и прост в выполнении с высоким процентом успеха, что является полезным ориентиром для соответствующих практикующих врачей.
Ишемическое повреждение головного мозга является наиболее распространенным повреждением головного мозга в клинической практике, на его долю приходится примерно 75% случаев цереброваскулярных заболеваний. Ишемия может приводить к тяжелым вторичным повреждениям головного мозга изаболеваниям1,2, а кома является наиболее тяжелым симптомом, вызванным ишемическим гипоксическим повреждением головного мозга. Это также конечный путь для многих критических состояний3. Кома является критическим и тяжелым заболеванием в клинической практике, с которым трудно справиться4. Чем дольше длится кома, тем больше потенциальная опасность. Своевременное пробуждение является основной целью в предотвращении ухудшения и прогрессирования состояния. Несмотря на то, что инъекции налоксона имеют широкий спектр клинического применения для повышения бодрствования, они все же имеют некоторые побочные эффекты. Поэтому разработка безопасных и эффективных препаратов, способствующих бодрствованию, является актуальной проблемой, требующей решения. Создание простой и удобной в эксплуатации модели ишемической комы головного мозга имеет важное значение для выяснения патогенеза ишемической комы и для разработки лекарств 6,7,8.
Целью данного исследования является представление простой и удобной для новичков модели индуцирования глобальной ишемической комы путем электрокоагуляции двусторонних позвоночных артерий (ВА) и временного лигирования двусторонних общих сонных артерий (ОСА). Предыдущий протокол включал обнажение двустороннего крыловидного отверстия первого заднего шейного позвонка во время первой операции и электрическое прижигание крыловидного отверстия для блокирования двусторонних ВА. Вторая операция была выполнена через 24 ч для индуцирования тотальной ишемической комы путем лигирования двусторонних CCA 9,10,11,12. Однако из-за невидимости существует риск неполной электрокоагуляции, кровотечения, травмы ствола мозга и спинного мозга, а также длительного экспериментального периода. Поэтому необходимо решать эти вопросы.
Здесь мы представляем усовершенствованный метод моделирования ишемической комы. Основная процедура включает в себя выполнение срединного переднего разреза шейки матки, выполнение электрической резекции двусторонних ВА в визуальных условиях и кратковременное лигирование двусторонних ОСА во время одной операции для блокирования кровоснабжения всего мозга, что приводит к торможению быстрой электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и коме. Этот метод также вызывает кратковременную непрерывную кому после реперфузии. Эта процедура проста в выполнении, удобна для новичков и снижает риск вторичного травматического инфицирования у животных, тем самым сокращая экспериментальный период.
Протокол подходит для исследования глобальной ишемической комы, вызванной остановкой сердца. Он также идеально подходит для изучения ишемической деменции, в основном потому, что область мозга гиппокампа чрезвычайно чувствительна к ишемии; Таким образом, транзиторная ишемия головного мозга может привести к повреждению или даже потере13 нейронов гиппокампа, что приводит к когнитивной дисфункции. Таким образом, протокол может служить ориентиром для практикующих врачей, изучающих ишемию головного мозга, ишемическую кому и ишемическую деменцию.
Протокол эксперимента был проведен в соответствии с требованиями Комитета по использованию лабораторных животных и Комитета по уходу и использованию животных в учреждениях Университета Фошань (Регистрационный номер: 2023-643656). Для исследования были использованы самцы крыс Sprague Dawley (SD) (200 г ± 20 г, возраст 6-8 недель). Все данные исследований на животных были составлены в соответствии с рекомендациями ARRIVE. Подробная информация о реактивах и оборудовании, использованных в исследовании, приведена в Таблице материалов.
1. Имплантация электродов ЭЭГ
2. Хирургический процесс модели ишемической комы головного мозга
3. Восстановление животных
Из-за воспаления и других стимулов, вызванных имплантацией электродов, ЭЭГ может быть нестабильной, поэтому крысам необходимо восстанавливаться в течение 3 дней. Крысы с нормальной ЭЭГ и ЭМГ через 3 дня могут быть включены в состав для подготовки модели комы. Когда крысы находились под наркозом, активность ЭЭГ и ЭМГ была немного подавлена, но протекала гладко. Существенных изменений активности ЭЭГ и ЭМГ после электрокоагуляции, блокирующей двусторонние ВА, не наблюдалось. Примерно через 30 мин препарат метаболизировался, крысы постепенно приходили в сознание, а активность ЭЭГ и ЭМГ увеличивалась. Когда у крыс наблюдалось подергивание конечностей, в то время как сигналы ЭЭГ и ЭМГ были активны и больше не располагались по прямой линии, CCA быстро лигировали. В этот момент все четыре кровеносных сосуда, отвечающие за кровоснабжение мозга, были заблокированы, что привело к глобальной ишемии головного мозга. Активность ЭЭГ и ЭМГ была быстро подавлена, почти образуя прямую линию, и крыса больше не сопротивлялась, а глазные яблоки стали серыми и белыми (рис. 2А). Если крыс не удается ввести в кому, это означает, что модель не сработала.
Через 30 минут первая лигирующая нить CCA была высвобождена для реперфузии, но вторая нить лигирования, размещенная перед CCA, поддерживала низкий уровень перфузии, вызывая непрерывную кому у крыс в течение примерно 60 минут. По мере постепенной компенсации и кровопролития организма крысы постепенно просыпались (рисунок 2В). ЭЭГ и ЭМГ крыс восстановились почти полностью после пробуждения.

Рисунок 1: Схема положения электрокоагуляционной позвоночной артерии. На этапах 1-3 описывается протокол имплантации электродов, а на этапе 4 проверяется, правильно ли функционируют электроды. На этапах 5-6 подробно описана процедура хирургического разреза в передней части шеи и двусторонних позвоночных артериях (ВА) для электрокоагуляции. Желтыми стрелками и дугами обозначены ключевые участки для электрокоагуляции. Шелковые нити используются для имитации прохождения позвоночной артерии через позвоночник, обеспечивая более четкое указание на характерное расположение электрокоагулированной позвоночной артерии. Шаги 7-9 описывают протоколы лигирования двусторонних общих сонных артерий (ОСА) для индукции комы. Все процедуры соответствуют рекомендациям по использованию животных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) и электромиограмма (ЭМГ) изменяются от комы к выздоровлению. (А) Форма волны ЭЭГ, ЭМГ и уровни активности у крыс во время ишемической комы головного мозга. (B) Диаграмма уровней ЭЭГ, ЭМГ и активности у крыс, переходящих из комы в пробуждение. Весь процесс длится около 90 минут. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Четырехсосудистая окклюзия вызывает глобальное ишемическое и гипоксическое повреждение головного мозга, которое может симулировать острую кому, остановку сердца, асфиксию, шок, тяжелую аритмию и другие критические клинические состояния, вызванные ишемией головного мозга в клинической практике. Между тем, окклюзия четырех сосудов может привести к повреждению в основном гиппокампа17,18, который является основной функциональной областью мозга, ответственной за когнитивную память 19,20,21. Таким образом, четырехсосудистая окклюзия также может быть использована для моделирования модели сосудистой деменции22,23. Таким образом, четырехсосудистая модель глобальной церебральной ишемии широко используется для моделирования вышеупомянутых клинических заболеваний.
В 1979 году Pulsinelli et al.10 достигли глобальной ишемии и реперфузии головного мозга путем блокирования двусторонних общих сонных артерий и двусторонних позвоночных артерий. С тех пор модель постепенно стала международно признанным классическим методом подготовки к моделям глобальной ишемии головного мозга 24,25,26. Тем не менее, этот метод имеет некоторые проблемы, такие как индивидуальные различия в поперечном отростке и отверстии первого шейного позвонка, включая маленькие, неправильные и искривленные отверстия, что приводит к неполному электрокоагуляции. Кроме того, длительная электрокоагуляция или чрезмерное использование электрического тока могут представлять риск повреждения ствола головного мозга и спинного мозга. Недостаточная электрокоагуляция позвоночной артерии может привести к значительному кровотечению и другим проблемам 15,16,27.
Поэтому ученые постоянно вносят усовершенствования, чтобы обеспечить целостность электрокоагуляции позвоночной артерии и уменьшить вариабельность модели28,29. Из-за невидимости электрокоагуляции позвоночной артерии через позвоночное отверстие, Todd et al.30 полностью обнажили позвоночную артерию и прижгли ее под прямым зрением, просверлив отверстие в атланте, тем самым повысив точность электрокоагуляции. Тем не менее, этот хирургический метод является высокоинвазивным и может повредить шейный отдел позвоночника. Тонкая стенка крыловидного отверстия может легко повредить позвоночную артерию, вызывая массивное кровотечение и приводя к относительно высокому уровню смертности. Sugio et al.12 визуализировали позвоночную артерию и навсегда разорвали ее, вставив электрическую иглу в левое и правое межпозвонковые отверстия второго шейного позвонка. Toda et al.31 и Lu et al.27 обнажили позвоночную артерию между первым и вторым поперечными отростками за пределами атлантного сустава на основе этой анатомической структуры и провели электрокоагуляцию. Эти исследователи решили проблему нестабильности при электрокоагуляции, когда позвоночная артерия не была видна, обнажив ее за шеей и выполнив электрокоагуляцию.
Тем не менее, крысы, перенесшие операцию на брюшной полости и спине, по-прежнему имели повышенный риск заражения, поэтому некоторые ученые пытались оперировать с передней части шеи. Sun Wei et al.15 достигли глобальной ишемии-реперфузии головного мозга путем отделения позвоночной артерии от передней шейки, лигирования или клипирования мелких артерий, а также непрерывного или периодического клипирования CCA. Этот этап требует тщательной операции, так как позвоночная артерия с трудом поддается отделению из-за своей тонкой природы. Кроме того, небольшие артериальные зажимы затрудняют точное пережатие позвоночной артерии. Если разделение будет недостаточно четким и чистым, это приведет к неполному зажиму или лигированию, что, несомненно, увеличивает нестабильность модели.
Это исследование обеспечивает простой и осуществимый метод электрокоагуляции позвоночной артерии. Ключевым шагом является не отделение позвоночной артерии, а определение места поперечного отверстия, где позвоночная артерия пересекается и входит в первый шейный позвонок. Это вход в позвоночную артерию, которая имеет изогнутую особенность, позволяющую новичкам быстро ее обнаружить. После предварительного нагрева электрокоагуляционной шприц-ручки вставьте ее в изогнутое положение для быстрой коагуляции позвоночной артерии, в течение 3-5 с для обеспечения полной окклюзии. Как электрокоагуляция позвоночных артерий, так и лигирование CCA были выполнены за одну операцию, что снизило риск инфицирования и продолжительность эксперимента.
Мы также обнаружили, что смерть модельного животного в основном была вызвана закупоркой всех четырех кровеносных сосудов, отвечающих за кровоснабжение головного мозга, и не была связана с количеством хирургических операций. Тем не менее, выполнение всех операций за одну операцию действительно сократило экспериментальный период. Кроме того, модифицированный метод может быть использован для подготовки глобальной модели ишемии-реперфузии головного мозга. Модель церебральной ишемической комы, вызванной окклюзией четырех сосудов, также может имитировать модель «синдрома запертого человека» в традиционной китайской медицине32. Таким образом, модель, представленная в данном исследовании, также может служить ориентиром для практикующих врачей традиционной китайской медицины.
В предыдущей литературе 16,33,34 лигирование стеноза ОСА проводилось через 30 мин после ишемии. Однако после 30 минут ишемии некоторые крысы проявили небольшое сознание из-за компенсации. Механическая стимуляция может привести к пробуждению этих крыс, что приведет к сбою модели комы. Поэтому в нашем исследовании лечение стеноза ОСА проводилось сразу после наступления комы. В это время глубина комы была глубокой, что затрудняло стимуляцию пробуждения крыс, что обеспечивало стабильность модели. Во время этого лечения ОСА находился в зажатом состоянии, и лечение стеноза не влияло на кровоток.
Кроме того, в разрезе шеи крыс было замечено, что позвоночные артерии в трех спинномозговых интервалах могут быть заблокированы с помощью электрокаутеризации или лигирования. Тем не менее, существует характерный признак вхождения позвоночной артерии в первом отделе позвоночника, что делает его очень подходящим для электрокаутерной блокады. Из-за отсутствия характерных маркеров между вторым и третьим позвонками, а также между третьим и четвертым позвонками, более целесообразно наложение швов. Однако есть и недостаток в виде недостаточного лигирования. Поэтому в данном исследовании была выбрана электрокоагуляция для пересечения позвоночной артерии между первым и вторым позвонками.
Кроме того, следует отметить, что успех данной модели тесно связан с весом крыс. Сообщалось, что крысы весом от 180 до 200 г более пригодны для введения комы. В этом исследовании также было установлено, что крысы весом менее 180 г с трудом выдерживают повреждение четырех кровеносных сосудов одновременно, что приводит к высокому уровню смертности. И наоборот, если вес больше 220 г, крыса быстро проснется и не останется в коме достаточно долго, чтобы соответствовать стандарту модели.
Более того, диаметр точечного отверстия, используемого для сужения CCA, является еще одним фактором, влияющим на продолжительность комы у крыс. Исследования показали, что диаметр точечного отверстия 0,6 мм может вызвать непрерывную кому у крыс в течение 6-8 ч с высокой выживаемостью. Диаметр точечного отверстия 0,45 мм вызывал у крыс крайний стеноз артерий, что приводило к неспособности тяжело раненых крыс восстанавливаться, в то время как диаметр 0,7 мм приводил к коме продолжительностью 1-3 ч, но со значительнымииндивидуальными различиями.
Однако в предварительном эксперименте точечное отверстие диаметром 0,6 мм не могло вызвать кому более чем на 60 минут, в то время как диаметр 0,5 мм мог вызвать кому на 1-2 часа. Это отличается от исследования Xiaobing Jia et al., что может быть связано с различиями в анестетиках и методах моделирования. В будущем необходимы дальнейшие исследования, чтобы прояснить эти различия.
В заключение, в этом исследовании представлен простой, осуществимый и удобный для начинающих метод четырехсосудистой окклюзии. Он служит ценным справочником для практикующих врачей, изучающих церебральную ишемическую кому или глобальную ишемию головного мозга.
Авторам нечего раскрывать.
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (82173781 и 82373835), Исследовательским проектом для постдокторантов (BKS212055), Проектом научно-технических инноваций Фошаньского научно-технического бюро (2320001007331), Фондом фундаментальных и прикладных фундаментальных исследований провинции Гуандун (2019A1515010806), Ключевыми полевыми проектами (интеллектуальное производство) общих университетов провинции Гуандун (2020ZDZX2057) и Научно-исследовательскими проектами (характерные инновации) общего Университеты провинции Гуандун (2019KTSCX195).
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 16-канальная микрофибровая фотоэлектродная решетка | Jiangsu Yige Biotechnology Co., Ltd | 2605 | |
| 4-0 Хирургический шов | Nantong Holycon Medical Devices Co., Ltd. | B-104 | |
| 6-0 Хирургический шовный материал | Ningbo MEDICAL Needle Co., Ltd. | JM1216-742417 | |
| ЭЭГ-электрод | Kedou Brain machine Technology Co., Ltd | KD-EEGEMG | |
| Электрокоагуляционная ручка | CONPUVON Company | 465 | |
| Lunion Stage Автоматическая система постановки сна | Shanghai Lulian Intelligent Technology Co., Ltd. | 1336 | |
| Миниатюрная ручная дрель для черепа | Rayward Life Technology Co., Ltd | 87001 | |
| Пенициллин натрия | Chengdu Kelong Chemical Co., Ltd. | 17121709-2 | |
| SD крысы | SPF ( Пекин ) Biotechnology Co., Ltd. | 180-220г | |
| Гвоздь для черепа | GLOBALEBIO,LTD | / | |
| Стереотаксический инструмент | Rayward Life Technology Co., Ltd | 68801 | |
| Zoletil 50 | Vic Trading (Shanghai) Co., LTD | BN 88SHA |
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение