Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Medicine

Normotherme hartstilstand en cardiopulmonale reanimatie: een muismodel van ischemie-reperfusie schade

doi: 10.3791/3116 Published: August 30, 2011

Summary

Een krachtige model voor de peri-operatieve en intensive care gerelateerde acute nierschade wordt gepresenteerd. Met behulp van het hele lichaam hypoperfusie veroorzaakt door een hartstilstand is het mogelijk om bijna een kopie van de histologische en functionele veranderingen van de klinische AKI.

Abstract

Acute Kidney Injury (AKI) is een veel voorkomende, zeer dodelijk, complicatie van kritieke ziekte die een hoge mortaliteit 1-4 en die het meest vaak veroorzaakt door het gehele lichaam hypoperfusie is. 5,6 Succesvolle reproductie van het hele lichaam hypoperfusie in knaagdiermodellen is uiterst moeizaam. 7-9,9,10 Modellen die focale ischemie in dienst hebben er herhaaldelijk op resultaten die niet te vertalen naar de klinische setting, en grotere diermodellen die het mogelijk maken voor het hele lichaam hypoperfusie geen toegang tot de volledige toolset van genetische manipulatie aangetoond mogelijk in de muis. 11,12 Echter, in de afgelopen jaren een muismodel van een hartstilstand en cardiopulmonale reanimatie is ontstaan, die kan worden aangepast aan het model AKI. 13 Dit model betrouwbaar reproduceert fysiologische, functionele, anatomische en histologische resultaten waargenomen in klinische AKI , is snel herhaalbaar, en biedt alle van de aanzienlijke voordelen van een chirurgische murine model, met inbegrip van toegang tot genetische manipulatieve technieken, lage kosten ten opzichte van grote dieren, en gebruiksgemak. Onze groep heeft uitgebreide ervaring met het gebruik van dit model aan een aantal van orgaan-specifieke resultaten te beoordelen in AKI. 14,15

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Alle beschreven procedures worden uitgevoerd in overeenstemming met de National Institutes of Health richtlijnen voor de zorg en het gebruik van dieren bij onderzoek en alle dierlijke protocollen zijn goedgekeurd door de Oregon Health & Science University Institutional Animal Care en gebruik Comite.

1. Chirurgische Voorbereiding

  1. Weeg de muis. De beschreven procedure wordt uitgevoerd op C57BL / 6 muizen met een gewicht tussen de 20 en 25 g. Anesthesie wordt geïnduceerd in een inductie-box met behulp van 3-4% isofluraan, en vervolgens onderhouden met 1,5-2,5% isofluraan in de lucht / zuurstof mengsel.
  2. Smeer de ogen en positie van het dier rug op een verwarmings-pad. Immobiliseren 4 extremiteiten met behulp van tape. De achterste poten kunnen worden opgenomen in een neutrale positie, maar moet de voorpoten worden vastgezet zo dicht bij de borstwand mogelijk bij volledige borstwand excursie mogelijk te maken tijdens hartmassage.
  3. Smeer en plaats een rectale temperatuur probe. Temperatuur wordt geregeld met behulp van een verwarmings-pad en een lamp aangesloten op een elektronische temperatuurregelaar (Digi-Sense, Cole Parmer, Vernon Hills IL), die is ingesteld op 37,0 ° C. te houden Omdat het mogelijk is dat een temperatuurgradiënt binnen het dier zou kunnen ontwikkelen tijdens de no-flow staat, is het belangrijk dat de temperatuur worden gemeten en gecontroleerd in de buurt van het orgel van belang.
  4. Intuberen de luchtpijp met behulp van een 2,5 cm 22 ga teflon catheter (Insyte-W, BD, Franklin NJ) en de cut distale einde van een schuine introducer (Frova introducer, Cook Medical, Bloomington IN). Andere methoden van tracheale intubatie aanvaardbaar zijn, echter het gebruik van de schuine introducer maakt een goede positionering van de nek in een iets verlengde positie, die chirurgische blootstelling voor de plaatsing van de intraveneuze katheter optimaliseert. De endotracheale katheter hub is beveiligd met een lus van hechtdraad tot de snijtanden en onderhouden met een lichte spanning op het hoofd te immobiliseren tijdens de hartmassage.
  5. Mechanisch ventileren van de muis met een knaagdier ventilator is ingesteld op 140 uL, 150 ademhalingen / minuut. Dit is niet gecorrigeerd voor het gewicht, omdat dit protocol wordt altijd uitgevoerd in 20-25 g dieren. Niet te verdiepen anesthesie. Stel de ventilator tot het eind expiratoire druk, omdat dit afbreuk reanimatie toe te passen.
  6. Met behulp van steriele techniek en een operationele microscoop, plaats een pre-gespoeld PE-10 katheter in de halsader. Beide kanten kan worden gebruikt, maar het gebruik van de zijde het dichtst bij de operator vermindert de kans op katheter losraken tijdens de hartmassage of andere manipulaties. 0,5% bupivicaine, is 0,1 mL infitrated in de wondranden naar postoperatieve pijnbestrijding.
  7. Zet de PE-10 katheter in de huid sluiting met cyanoacrylaat chirurgische lijm.
  8. Plaats subcutane ECG-elektroden en verbinding te maken met de controle-apparaat. Aandacht voor de signaalweg en maximalisatie van het signaal zelf is cruciaal voor het succes van de reanimatie. Zorg ervoor dat alle draden zijn bevestigd aan de operationele oppervlakte, het minimaliseren van het signaal kruisingen, en het minimaliseren van isolatoren (zoals lucht in holle naalden of gevlochten draad) in de signaalweg. Solid naalden verbonden met nonstranded leiden kabel kan worden gekocht of gemaakt in het lab. Eenmaal aangesloten, het optimaliseren van de EKG-signaal op de monitor.

2. Hartstilstand

  1. Zorg ervoor dat de muis normotherme is, gedefinieerd als rectale temperatuur 36,5 ° C - 37,5 ° C. Intraveneus toedienen 40 ul van kamertemperatuur 0,5 M kaliumchloride en observeren iso-elektrische tracing op EKG. Aanpassing van de dosis voor het gewicht is niet nodig binnen het bereik 20 tot 25 g. Start arrestatie timer.
  2. Koppel de ventilator. Stop met de verdoving damp. Zet de verwarming pad en andere apparatuur die elektronische ruis die kunnen interfereren met ECG bewaking produceert. Plaats een isolerende deken over de muis.
  3. De gegevens van temperatuur iedere minuut tijdens de hartstilstand. Indien nodig kan een warmtelamp worden gebruikt om de kerntemperatuur te brengen tot aan de normotherme bereik. Tijdens een hartstilstand, bereiden leveringen en apparatuur (bijvoorbeeld de adrenaline spuit) voor reanimatie. Een checklist kan nuttig zijn om ononderbroken reanimatie, wat essentieel is om te overleven te verzekeren.
  4. Na 7 minuten, 30 seconden van een hartstilstand, sluit u de ventilator en verhoging van de snelheid tot 180 ademtochten / min, het bijhouden van de tidal volume op de pre-arrestatie setting.
  5. Op 8 minuten, starten met hartmassage op 300 BPM. Bewegingsartefacten op het ECG kan worden gebruikt om te beoordelen CPR tarief. Hartmassage moet worden geleverd met de wijsvinger, 5 mm boven het zwaardvormig proces en iets aan de linkerkant van middellijn. De borst gecomprimeerd moeten worden 1/3-1/2 van de achterwaartse afstand en volledige terugslag moet worden toegestaan ​​tussen de compressies. Vinger positionering en een optimale compressie druk zijn absoluut essentieel. Niet om te overleven te bereiken in dit model is bijna altijd te wijten aan suboptimale reanimatie.
  6. Infundeer 0,5 ml epinefrine, verdund tot 15 ug / ml, in de eerste 30 seconden van de reanimatie. Total adrenaline dosis is 8-12 microgram. Zorgvuldig te observeren het ECG voor de terugkeer van spontane circulatie (ROSC). Smal complex QRS-complexen worden gezien tussen de compressie-artefacten. ROSC treedt meestal op tussen 90 seconden en twee minuten na het starten van CPR. Reanimatie is verlaten als ROSC niet gebeurt door 3 minuten. Frequente premature ventriculaire contracties en veranderingen in de ECG-as worden waargenomen in de eerste 2 minuten na ROSC, en bijna altijd in harde sinustachycardie op te lossen op 2 minuten.
  7. Record totale tijd van de reanimatie en epinefrine dosis. De gegevens van temperatuur elke minuut gedurende 10 minuten na het ROSC.
  8. EKG leads kan worden verwijderd wanneer de spontane ademhaling begint, meestal binnen 12-15 minuten na het ROSC.
  9. Extuberen de luchtpijp bij spontane ademhaling is> 60/min.
  10. Plaats de muis in een kooi op een herstel van temperatuur gecontroleerde oppervlak ingesteld op 37 ° C voor de eerste 2 uur postprocedure, zorgen voor gemakkelijke toegang tot voedsel en water. De kooi kan dan verplaatst worden naar standaard postoperatieve woonomstandigheden als de muis volledig is hersteld van anesthesie en actief is.

3. Verbloeding / Perfusie-fixatie en Kidney Harvest

  1. 24 uur na CA / CPR, veroorzaken anesthesie met isofluraan 3-4% en veilig het dier in rugligging op een chirurgische oppervlak binnen een zuurkast die geschikt is voor gebruik met formaline ..
  2. Verdiepen van de verdoving door geleidelijk verhogen van de narcose dampconcentratie tot 5% en zorgen voor de muis is diep verdoofd zoals blijkt door het stilleggen van spontane ademhaling.
  3. Voer een clamshell thoracotomie en exsanguinate de muis via de apicale punctie van de cardiale linker ventrikel volgens standaard technieken.
  4. Via dezelfde naald, beheren 0,9% zoutoplossing door middel van langzame infusie. Om perfusie / verbloeding acclerate, nick de juiste atriale aanhangsel met een schaar. Voer een laparotomie en observeer de nieren. Als ze worden geblancheerd, kunnen zoutoplossing worden gewijzigd tot 4% formaline voor fixatie. Nieren worden vervolgens ingebed in paraffine en gekleurd met fluor-jade B voor de kwantificering van tubulaire necrose van epitheel.

4. Representatieve resultaten:

Wanneer CA wordt opgewekt, de gemiddelde arteriële druk (MAP) en de regionale doorbloeding van de nier (RRBCF) dalen tot bijna nul en blijven stabiel tot reanimatie begint (figuur 1). 24 uur na CA / CPR, serum indices van de nierfunctie (bloedureumstikstof, BUN en creatinine) zijn aanzienlijk ten opzichte van sham-geopereerde dieren verhoogd. AST / ALT zijn ook verhoogd, waardoor het bewijs van diepe gehele lichaam ischemie (figuur 2). Neutrofiel-gelatinase geassocieerd lipocalin (NGAL), een gevoelige indicator van de renale ischemische schade is enorm opgereguleerd 24 uur na het CA / CPR (figuur 3). Tot slot, microfoto's tonen de fragmentarische, medullaire necrose typisch voor ischemische nierschade met het dunner worden van tubulair epitheel en luminale vulling op hematoxyline en eosine kleuring (figuur 4, een panel) en een uitgebreide celdood in medullaire tubulair epitheel na kleuring met een fluoro-jade B ( Figuur 4, paneel b).

Figuur 1
Figuur 1. Hartstilstand veroorzaakt direct verlies van de perfusie druk, vertegenwoordigd hier als de gemiddelde arteriële druk (MAP) gemeten in de femorale slagader, wat resulteert in bijna volledige stopzetting van de regionale renale corticale doorbloeding (RRCBF) gedurende de periode van hartstilstand (gearceerde gebied). Reanimatie met hartmassage en epinefrine keert terug naar de normale MAP en RRCBF gestaag stijgt in de post reanimatie periode. Overgenomen met toestemming van de 14.

Figuur 2
Figuur 2. 24u postprocedure, bloed ureum stikstof (BUN), serum creatinine, en de mate van het buisvormige celdood zijn allemaal significant verhoogd bij dieren hebben ondergaan, CA / CPR in vergelijking met dieren die behandeld werden met een schijnvertoning procedure. CA / CPR induceert een pan-organismale ischemische belediging, hier blijkt uit de enorme verhoging van de lever-functie enzymen alanine aminotransferase (ALT) en aspartaat aminotransferase (AST) in CA / CPR muizen in vergelijking met placebo-behandelde dieren.

Figuur 3
Figuur 3. Western blot uitgevoerd met behulp van polyklonaal antilichaam tegen neutrofiel gelatinase-geassocieerde lipocalin (NGAL), een gevoelige indicator van nier-ischemisch letsel. Urinemonsters werden onmiddellijk verkregen voorafgaand aan ("pre") en 24 uur na ("24") CA / CPR in vier dieren (label A, b, c en d hierboven). NGAL is massaal opgereguleerd in de muisurine na CA / CPR. Overgenomen met toestemming van de 14.

Figuur 4
Figuur 4. A) hematoxyline en eosine vlek van een korte as hilaire gedeelte van nier-weefsel 24 uur na CA / CPR. Er is fragmentarisch, maar duidelijk schade aan de medullaire en corticomedullary tubuli met buisvormige aansluiten. Pijlen wijzen naar beschadigde tubuli met gezwollen, pyknotic kernen op het corticomedullary kruising. B) Flouro-jade B vlek van dezelfde regio in hetzelfde dier, 24 uur na CA / CPR. Fluoro-jade B vlekken necrotische cellen helder groen, met onregelmatige corticomedullary tubulaire necrose. Pijlen wijzen naar fel gekleurde buisjes aan de beschadigde corticomedullary kruising. Deze bevindingen zijn sterk vergelijkbaar met nierbiopsie de bevindingen van mensen die de ontwikkeling van AKI, en in tegenstelling tot die van andere diermodellen van de AKI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Het normotherme model van een hartstilstand en cardiopulmonale reanimatie in de muis biedt meerdere mogelijkheden van de evaluatie in een model dat de pathofysiologie en de morfologie van de meest voorkomende klinische oorzaak van AKI, het hele lichaam hypoperfusie replica. Het testen van hypothesen kan gebaat zijn bij de toegang tot een waaier van genetische manipulatie technieken en de goed begrepen en gekarakteriseerd anatomie en fysiologie van het laboratorium muis.

Zoals hier beschreven, overleven in ervaren handen is 80%. Hoewel de chirurgische voorbereiding en post-arrestatie zorg zijn eenvoudig, de daadwerkelijke reanimatie van een aangehouden muis is een uitdagende operatieve vaardigheid die een aanzienlijke praktijk vereist. In onze ervaring, succesvolle reanimaties de norm worden na ongeveer de eerste 30 tot 50 pogingen tot reanimatie van individuele dieren door een onervaren chirurg, en consistent letsel en reanimatie te nemen extra oefenen. In het bijzonder, tijdens de eerste fase van het leren van de techniek (dat wil zeggen, voor de eerste 20 dieren), een zinvol bestaan ​​is onwaarschijnlijk, en eventuele overlevenden moeten worden gedood onmiddellijk na reanimatie om onnodig leed te voorkomen. Na een vroege training, toen de overlevenden krachtig cardiale herstel in de minuten na reanimatie aan te tonen, is het aangewezen te blijven overleven dieren door de 15 minuten na ROSC mark. Dieren die krachtige spontane ademhaling inspanningen van dat punt aan te tonen zal waarschijnlijk overleeft 24 uur met de juiste herstel. Deze praktijk fase moet specifiek worden behandeld in IACUC protocollen. De meest moeilijke vaardigheid om te leren is de hartmassage zichzelf als het moeilijk is om compressies te leveren aan de benodigde tarief zonder toenemende druk om de schadelijke niveaus. Mechanische beademingsapparaten bedacht en gebruikt in ons lab en anderen 16, maar geen mechanische beademingsapparaat voor de muis is aanvaardbaar overleven geproduceerd datum.

Er zijn een aantal beperkingen aan dit model. Ten eerste kan geen muis-model volledig model menselijke fysiologie, en de resultaten moeten worden geïnterpreteerd met respect voor interspecies verschillen. In het bijzonder, de muis hart is robuust, bereiken we 80% overleving na acht minuten van een hartstilstand, maar in de klinische studies menselijke overleving is minder dan 50%, zelfs met reanimatie begint 2-3 minuten na de arrestatie van 17 Het kleine formaat van de muis. maakt procedures technisch veeleisende, en er is een groot leerproces, met name voor hartmassage. Ten tweede, in dit protocol, zijn drugs doses en ventilator instellingen niet geïndexeerd aan dier gewicht. Dit komt omdat we alleen dieren in de 20-25 gram gewicht in om het effect van de apparatuur grootte te minimaliseren. Bijvoorbeeld, gebruiken we een 22 gauge katheter om de luchtpijp intuberen, verkregen de afdichting is niet hetzelfde in een 30 g muis als het in een 25 g muis en de toegenomen gaslek kan zijn fysiologisch significant. Echter, het gebruik van dieren in een bepaald gewicht niet getrouwe afspiegeling van de verscheidenheid van het lichaam van klassen die onderworpen zijn aan klinische ischemie-reperfusie schade. Ten derde kan de no-flow staat niet repliceren de resultaten van low-flow staten. In het bijzonder kan de temperatuur gradiënten te ontwikkelen binnen de muis tijdens de no-flow. Om het effect (indien aanwezig) van de hellingen van de resultaten wordt de temperatuur gemeten in de buurt van het orgel van belang. Ten slotte, van vroege gegevens uit ons lab die een aanzienlijke metabole acidose bevestigd in de postarrest periode hebben we hyperventileren tijdens de reanimatie. Uit recente gegevens blijkt dat hyperventilatie tijdens CPR is schadelijk, 18,19 is het mogelijk dat deze praktijk te overleven in het model vermindert. Vele alternatieven modellen voor het hele lichaam ischemie-reperfusie schade bestaan. Zo heeft CA / CPR is beschreven in honden, 20 konijnen, 21 lammeren, 22 varkens, 23 ratten, 16 en arctische grondeekhoorns. 24

We hebben laten zien dat postoperatieve nierfunctie kan worden beoordeeld door een aantal chemische, immunologische of histologische technieken op 24 uur. Dieren kunnen worden overleefden langer dan 24 uur, echter, en de voorbijgaande aard van de AKI maakt dit model een aantrekkelijk om te gebruiken voor onderzoek naar mechanismen van herstel en / of blijvend letsel. De verwonding zelf is titreerbare door het veranderen van de parameters van tijd en temperatuur tijdens de CA. Langere arrestaties en het onderhoud van hogere temperaturen te produceren groter letsel (maar nadelig effect te overleven). Zoals we hebben laten zien met de meegeleverde leverfunctie gegevens, andere orgaansystemen ook worden beïnvloed en kan worden onderzocht met behulp van aanpassingen van dit model kan echter aanzienlijke inspanningen nodig om experimentele condities te optimaliseren voor het orgel systeem van belang.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Geen belangenconflicten verklaard.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Potassium Chloride Abbott Laboratories 06653-5
Isoflurane Abbott Laboratories 05260-05 (and others)
Epinephrine HCl Multiple Suppliers Multiple
Digi-Sense temperature controller Cole-Parmer EW-89000-00
Angiocath IV Cath VWR international 381134
Frova angled airway introducer Cook G27282
MicroVent Ventilator for Mice Harvard Apparatus 733591

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chertow, G. M., Lazarus, J. M. Predictors of mortality and the provision of dialysis in patients with acute tubular necrosis. the auriculin anaritide acute renal failure study group. J Am Soc Nephrol. 9, 692-698 (1998).
  2. Lassnigg, A., Schmidlin, D. Minimal changes of serum creatinine predict prognosis in patients after cardiothoracic surgery: A prospective cohort study. J Am Soc Nephrol. 15, 1597-1605 (2004).
  3. Lassnigg, A., Donner, E. Lack of renoprotective effects of dopamine and furosemide during cardiac surgery. J Am Soc Nephrol. 11, 97-104 (2000).
  4. Metnitz, P. G., Krenn, C. G. Effect of acute renal failure requiring renal replacement therapy on outcome in critically ill patients. Crit Care Med. 30, 2051-2058 (2002).
  5. Uchino, S., Kellum, J. A. Acute renal failure in critically ill patients: A multinational, multicenter study. JAMA. 294, 813-818 (2005).
  6. Mehta, R. L., Pascual, M. T. Spectrum of acute renal failure in the intensive care unit: The PICARD experience. Kidney Int. 66, 1613-1621 (2004).
  7. Zager, R. A. Partial, aortic ligation: A hypoperfusion model of ischemic acute renal failure and a comparison with renal artery occlusion. J Lab Clin Med. 110, 396-405 (1987).
  8. Zager, R. A. Adenine, nucleotide changes in kidney, liver, and small intestine during different forms of ischemic injury. Circ Res. 68, 185-196 (1991).
  9. Oliver, J., MacDowell, M. The pathogenesis of acute renal failure associated with traumatic and toxic injury; renal ischemia, nephrotoxic damage and the ischemic episode. J Clin Invest. 30, 1307-1439 (1951).
  10. Phillips, R. A., Dole, V. P. Effects of acute hemorrhage and traumatic shock on renal function in dogs. Am J Physiol. 145, 314-336 (1945).
  11. Klocke, R., Tian, W. Surgical animal models of heart failure related to coronary heart disease. Cardiovasc Res. 74, 29-38 (2007).
  12. Traystman, R. J. Animal models of focal and global cerebral ischemia. ILAR J. 44, 85-95 (2003).
  13. Burne-Taney, M. J., Kofler, J. Acute renal failure after whole body ischemia is characterized by inflammation and T cell-mediated injury. Am J Physiol Renal Physiol. 285, 87-94 (2003).
  14. Hutchens, M. P., Nakano, T. Estrogen is renoprotective via a non-receptor dependent mechanism after cardiac arrest in vivo. Anesthesiology. 112, 395-405 (2010).
  15. Hutchens, M. P., Nakano, T. Soluble epoxide hydrolase gene deletion reduces survival after cardiac arrest and cardiopulmonary resuscitation. Resuscitation. 76, 89-94 (2007).
  16. Planta, I. von, Weil, M. H. Cardiopulmonary resuscitation in the rat. J Appl Physiol. 65, 2641-2647 (1988).
  17. Cobb, L. A., Fahrenbruch, C. E. Influence of cardiopulmonary resuscitation prior to defibrillation in patients with out-of-hospital ventricular fibrillation. JAMA. 281, 1182-1188 (1999).
  18. Aufderheide, T. P., Lurie, K. G. Death by hyperventilation: A common and life-threatening problem during cardiopulmonary resuscitation. Crit Care Med. 32, 345-351 (2004).
  19. Aufderheide, T. P., Sigurdsson, G. Hyperventilation-induced hypotension during cardiopulmonary resuscitation. Circulation. 109, 1960-1965 (2004).
Normotherme hartstilstand en cardiopulmonale reanimatie: een muismodel van ischemie-reperfusie schade
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hutchens, M. P., Traystman, R. J., Fujiyoshi, T., Nakayama, S., Herson, P. S. Normothermic Cardiac Arrest and Cardiopulmonary Resuscitation: A Mouse Model of Ischemia-Reperfusion Injury. J. Vis. Exp. (54), e3116, doi:10.3791/3116 (2011).More

Hutchens, M. P., Traystman, R. J., Fujiyoshi, T., Nakayama, S., Herson, P. S. Normothermic Cardiac Arrest and Cardiopulmonary Resuscitation: A Mouse Model of Ischemia-Reperfusion Injury. J. Vis. Exp. (54), e3116, doi:10.3791/3116 (2011).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter