Все экспериментальные процедуры были одобрены Комитетом по этике животных Пекинского спортивного университета (Одобрение No 2022034A). Крысы содержались индивидуально в зоопарке Пекинского спортивного университета в контролируемых условиях (температура: 22-24 °C; влажность: 45%-55%; 12-часовой цикл света/тьма). Специфические 11-недельные самки и 12-недельные самцы SHR, а также соответствующие по возрасту нормотензивные WKY-крысы были получены у компании Beijing Vital River Laboratory Animal Technology Co., Ltd. (Лицензия No SYXK [Пекин] 2021-0053) для целей разведения. Реагенты и оборудование, использованные для этого исследования, перечислены в Таблице материалов.
1. Экспериментальные животные и группировка
Беременные крысы получали стандартный рацион для разведения грызунов и воду ad libitum. Все крысы порождались спонтанно, а их потомство отлучалось на стандартный рацион грызунов. Для спаривания самки и самцы крыс одного сорта (WKY или SHR) содержались в соотношении 1:1. Наличие вагинальной пробки и сперматозоидов в мазке использовалось для обозначения первого дня беременности (GD1). После подтверждения беременности крысы были случайным образом распределены на четыре группы: нормотензивные малоподвижные (p-WKY-SED), нормотензивные упражнения (p-WKY-EX), гипертонзивные малоподвижные (p-SHR-SED) или гипертонические упражнения (p-SHR-EX). Экспериментальные анализы проводились на крысах на 21-й день беременности (GD21), плодах на эмбриональный день 21 (ED21), а также на 3 млн потомков из каждой группы мужчин и самок.
2. Процедура аэробных упражнений у матери
Перед спариванием самок крыс акклиматизировали к жилищному комплексу на одну неделю, после чего следовал пятиденный период адаптации к воде, включавший 15 минут ежедневного воздействия на воду глубиной 10 см при температуре 34-35 °C. После успешного спаривания крысы из группы упражнений начали структурированный режим плавания. Протокол начинался с четырёхдневной адаптационной фазы в воде глубиной 40 см (34–35 °C), при этом суточная продолжительность плавания постепенно увеличивалась с первоначальных 20 минут на 10 минут в день. С 5-го дня до 20-го дня эти крысы плавали по 60 минут в день, 6 дней в неделю. Для контроля возможного стресса от погружения в воду крыс из оседлых групп помещали в мелководье (глубина 10 см, 34-35 °C) на тот же период без активногоплавания 10.
3. Измерение артериального давления
Систолическое артериальное давление (SBP), диастолическое давление (DBP) и среднее артериальное давление (MAP) измерялись у крыс ростом 3M (как самцов, так и самок) с помощью системы tail-cuff системы CODA Monitor в сознательных и покойных условиях. Все измерения проводились в тихой обстановке с 8:00 до 12:00 дня при температуре окружающей среды примерно 25 °C.
Грелка включалась за час вперёд и устанавливалась на 37-38 °C, чтобы обеспечить необходимую температуру до измерения. В зависимости от веса каждой крысы выбирался удерживальник соответствующего размера, и животное аккуратно направляли внутрь. После фиксации крысу помещали на грелку на 5 минут, чтобы обеспечить достаточный кровоток к хвосту. Были выбраны соответствующие размеры окклюзионная манжета (O-Cuff) и манжет для записи объемного давления (VPR-Cuff), исходя из размера хвоста крысы. Во время работы O-Cuff аккуратно размещался примерно в 1 см от основания хвоста, после чего VPR-Cuff размещался поверх хвоста. После 5-минутного периода акклиматизации начинались измерения артериального давления, пока крыса оставалась в сознании и покое. Каждая крыса прошла пять циклов акклиматизации, за которыми следовали десять последовательных циклов измерений для записи данных о кровяном давлении. В течение всей процедуры животных тщательно контролировали и сразу же удаляли из ресидера после завершения протокола измерения.
4. Операция при МИ/РИ у крыс
Крыс голодали в течение 12 часов перед операцией с бесплатным доступом к воде. Масса тела измерялась до анестезии. Анестезия была индуцирована с использованием 5% изофлурана и поддерживалась при 2% изофлуране во время процедуры. Каждую крысу помещали в положение на спине и закрепляли на грелке, установленной на 37 °C.
Пероральная эндотрахеальная интубация проводилась с использованием катетера 16 G, который аккуратно вводили в трахею и закрепляли на месте. Затем катетер был подключён к интегрированной системе анестезии и вентиляции. Параметры вентиляции были установлены на частоту дыхания 70 вдохов в минуту, приливный объём 8 мл/кг и соотношение вдыхания и выдоха 1:2.
Электроды вводились подкожно в конечности крысы согласно стандартному расположению свинца: чёрный для правой передней конечности, зелёный для правой задней конечности и красный для левой задних. Электроды были подключены к экспериментальной системе биологической функции и биоусилителю, а электрокардиографический (ЭКГ) мониторинг проводился с помощью программного обеспечения LabChart.
Волосы на груди крысы были выбриты, а место операции продезинфицировано спиртом. Был сделан разрез на коже левой стороны грудины, соответствующий сердцу. Была проведена тупая вскрытие для обнажения рёбер. Между третьим и четвёртым рёбрами был введён грудной ретрактор для открытия грудной полости. Перикард был аккуратно разорван и отделен, чтобы полностью открыть сердце. Сопутствующая большая сердечная вена использовалась как ориентир. Примерно на 1-2 мм ниже левой предсердной конечности, 8-0 шов провёл через поверхность эпикарда для связки левой передней нисходящей коронарной артерии. В месте завязывания была установлена маленькая деревянная трубка, а для блокировки кровотока — скользящий узел. Затем грудная полость быстро закрывается. Успешное перевязывание было подтверждено повышением сегмента ST на электрокардиограмме и видимым цианозом в ишемической области миокарда.
После 45 минут окклюзии узел ослаблялся, и деревянная трубка снималась для запуска реперфузии. Воздух выходил из грудной полости, которая затем закрывалась и зашивалась. Место операции было продезинфицировано повидоном-йодом, завершив процедуру.
Таким образом, была создана модель МИ/РИ, которая была установлена после 24 часов реперфузии. После возобновления спонтанного дыхания эндотрахеальная трубка была удалена, а крыса возвращалась в чистую клетку.
5. Эхокардиография
Эхокардиографическая оценка проводилась с использованием системы доплеровской ультразвуковой визуализации мелких животных, оснащённой высокочастотным линейным антенным зондом L22-8K3 (центральная частота: 15 МГц). Крыс анестезировали 5% изофлураном для индукции и поддерживали изофлурана ниже 2% на протяжении всей процедуры. Каждую крысу помещали в положение лежа на спине и закрепляли на хирургической платформе, при поддержании температуры 37 °C. Респираторный статус постоянно контролировался, а скорость потока изофлурана корректировалась по мере необходимости, чтобы избежать слишком глубокой или поверхностной анестезии, что могло снизить точность ультразвуковых измерений сердца.
После бритья грудной клетки наносили соответствующее количество геля для ультразвукового соединения. Ультразвуковой зонд был размещён над левой передней стенкой грудной клетки для получения эхокардиографических изображений в режиме M-моды с панорам левого желудочка по длинной и короткой осям парастерны. Для каждого параметра рассчитывалось среднее значение шести последовательных сердечных циклов. Функция сердца оценивалась путём измерения внутреннего диаметра левого желудочка в систоле (LVIDs), внутриго диаметра левого желудочка в диастоле (LVIDd), фракционного укорочения (FS) и фракции выброса (EF).
6. Операция MCAO у крыс
Крыс голодали 12 часов перед операцией, но имели свободный доступ к воде. Модель MCAO была создана с помощью оптимизированного метода шва Зеа-Лонги. Анестезия была индуцирована 5% изофлураном и поддерживалась при 2% изофлуране. После наблюдения расслабления мышц и стабилизации дыхания и сердечного ритма крыс помещали в положение на спине и закрепляли на термостатически контролируемой грелке.
Шейная область крысы регулярно брилась и дезинфицировалась. Был сделан разрез по средней линии чуть левее шеи, а мышечные слои были тупо рассечени, чтобы обнажить и изолировать левую общую сонную артерию (CCA), наружную сонную артерию (ECA) и внутреннюю сонную артерию (ICA). ECA был перевязан тонкой швной резьбой, а CCA и ICA временно зажаты артериями. В ЭКА был сделан разрез, и шовная эмболия была введена в КЦА через отверстие ЭКА. После пересечения ЭКА её аккуратно опускали вниз, чтобы выровнять с МКА, что облегчало прямой путь для установки эмболии. Эмболия была аккуратно продвинута в внутричерепный сегмент ВКД. Введение останавливалось при встрече с небольшим сопротивлением, что указывало на правильное позиционирование. В этот момент эмболия была введена на расстояние 18–20 мм от разделения ECA и ICA, что соответствует заранее отмеченной глубине, при этом кончик закрывал начало средней церебральной артерии (MCA).
Диаметр кончика эмбола выбирался исходя из массы тела крысы: 0,31–0,32 мм для крыс <200 г и 0,38–0,40 мм для крыс весом 281–330 г. После подтверждения правильного расположения эмболия была закреплена на месте, удалены артериальные клипсы, кожный разрез был зашит, а место операции дезинфицировано повидон-йодом.
Успешное введение шва было подтверждено снижением перфузии крови более чем на 50% на поражённой стороне. После 2 часа ишемии эмбол была удалена для начала реперфузии. После 24 часов реперфузии была установлена модель ишемии-реперфузионной травмы мозга.
Неврологические дефициты у крыс оценивались через 24 часа после MCAO с использованием системы оценки Zea Longa. Критерии подсчёта баллов были следующими (Таблица 1).
В последующие анализы были включены только крысы с баллами Zea Longa от 1 до 3. Крысы с баллами 0 или 4 были исключены из-за отсутствия эффективной окклюзии или чрезмерного повреждения мозга соответственно.
7. Лазерная спекл-контрастная визуализация (LSCI)
Крыс голодали за 12 часов до эксперимента, но имели свободный доступ к воде. Анестезия была индуцирована 5% изофлурана и поддерживалась при 2% изофлурана.
Затем крыс помещали в положение лежа и закрепляли в стереотаксическом аппарате. После бритья и дезинфекции кожи головы был сделан разрез по средней линии вдоль сагиттального шва, чтобы обнажить череп. Соединительная ткань и надственность на поверхности черепа были аккуратно удалены. Сохраняя целостность твердой мозговой оболочки, обе стороны черепа истончались с помощью черепной дрели, пока кость не стала прозрачной. Было создано черепное окно размером от 8 мм × 15 мм, что позволило чётко визуализировать корковые кровеносные сосуды под микроскопом.
Система LSCI была активирована, а положение устройства и фокусное расстояние регулировались до тех пор, пока окно черепа не стало чётко визуализировано. Использовался лазерный источник света длиной волны 780 нм. Область освещения фиксировалась с помощью устройства с зарядом, время экспозиции 15 мс и частота кадров 15 кадров в секунду. Непрерывный мониторинг проводился в течение 15–30 секунд для получения изображений с разрешением 1280 × 960 пикселей. Система впоследствии преобразовала исходные изображения спекл в карты кровотока и количественные данные перфузии.
Базовый кровоток в области снабжения МКА в обоих полушариях был впервые зафиксирован до ишемии. Затем кожа головы была зашита и дезинфекцирована перед началом процедуры MCAO. Кровоток в головном мозге в обоих полушариях постоянно контролировался сразу после окклюзии, через 2 часа и 24 часа после ишемии.
В течение всего периода мониторинга анестезия поддерживалась изофлураном, а грелка регулировалась так, чтобы температура тела крысы оставалась стабильной на уровне 37 °C. Сбор данных начался после того, как у животного было стабильное дыхание и частота сердечных сокращений.
8. Окрашивание 2,3,5-трифенилтетразолия хлорида (TTC)
2% (w/v) раствор TTC был приготовлен путём растворения 0,2 г порошка TTC в 10 мл фосфатно-буферного физиологического раствора (PBS, pH 7,4). Раствор переливали в центрифугную трубку, обёрнутую фольгой, тщательно вихрили для полного растворения, а затем помещали в водяную ванну, предварительно нагреваемую до 37 °C.
После 24 часов реперфузии крыс анестезировали 5% изофлураном и эвтаназии через эксагвинацию через брюшную аорту. Сердце и мозг были немедленно извлечены и тщательно промыты 10 мл PBS. Ткани замораживались при −40 °C в течение 30 минут, затем встраивались в формы и коронально секцировались от передней к задней с толщиной 2-3 мм на каждый срез. Срезы инкубировали в растворе 2% TTC. Ломтики сердца инкубировали в водяной бане при температуре 37 °C, защищённой от света в течение 10 минут, а ломтики мозга — в тех же условиях — 25 минут. Ломтики переворачивались каждые 5 минут во время инкубации, чтобы обеспечить равномерное окрашивание. После окрашивания ломтики промывали трижды 10 мл PBS и фиксировали в 10 мл формалина 10% на 24 часа.
После 24 часов фиксации срезки ткани были удалены и аккуратно промоканы марлей, чтобы удалить лишнюю влагу. Каждый кусок кладёлся на прозрачную стеклянную пластину, а передняя и задняя стороны были сканированы. На отсканированных изображениях белые области указывали на инфарктированную (ишемическую) ткань, а красные — жизнеспособную (неишемичную) ткань. Анализ изображений проводился с помощью программного обеспечения ImageJ для расчёта соотношения площади инфаркта между миокардиальными и церебральными срезами. Площадь инфаркта миокарда (%) = (площадь инфаркта / общая площадь миокарда) × 100%; Область инфаркта мозга (%) = (инфарктная область на стороне MCAO / общая площадь ипсилатерального полушария) × 100%.
9. Записи по безопасности и обращение с опасными материалами
Изофлуран помещался в вытяжку для предотвращения вдыхания и хранился в прохладном, хорошо проветриваемом помещении. Формалин и TTC применялись с помощью нитриловых перчаток и масок для лица, чтобы минимизировать контакт с кожей и риск вдыхания. TTC признавалась светочувствительной и поэтому хранилась и использовалась в контейнерах, упакованных в фольгу.
Операционная зона была продезинфицирована 75% этанолом, а все инструменты были автоклавированы при 121 °C в течение 20 минут перед использованием. Операторы носили стерильные перчатки и халаты, чтобы поддерживать асептические условия во время процедур.
Послеоперационный мониторинг проводился каждые 6 часов в течение 24 часов для обеспечения благополучия животных. Животные, проявлявшие тяжёлые страдания, такие как постоянная дрожь или нехватка пищи и воды, немедленно усыплялись в соответствии с институциональными этическими нормами.
Все отходы TTC и формалина собирались в маркированные контейнеры для биологической опасности и утилизировались в соответствии с институциональным протоколом управления опасными отходами. Животные ткани сжигались через специально предназначенный университетом объект по переработке биологических отходов. Загрязнённые хирургические материалы автоклавировали перед утилизацией.
10. Статистический анализ
Все данные были представлены в виде среднего ± SEM. Статистический анализ проводился с помощью программного обеспечения GraphPad Prism 8. Различия между четырьмя группами оценивались с помощью двустороннего анализа дисперсии (двусторонний ANOVA; факторы: гипертония и физические нагрузки). Сравнения между потомками и самками проводились с помощью двуххвостого непарного теста Стьюдента. Значение P < 0,05 считалось статистически значимым.