Een Rat Carotid Artery Pressure-Controlled Segmental Balloon Injury met Periadventitial Therapeutic Application
Summary
De rat carotis slagader ballon letsel bootst de klinische angioplastiek procedure uitgevoerd om de bloedstroom in atherosclerotische vaten te herstellen. Dit model induceert de arteriële letselrespons door de arteriële wand te verwijderen en de intimale laag endotheelcellen te ontnuderen, wat uiteindelijk remodellering en een intimale hyperplastische respons veroorzaakt.
Abstract
Hart- en vaatziekten blijven wereldwijd de belangrijkste doodsoorzaak en invaliditeit, deels als gevolg van atherosclerose. Atherosclerotische plaque vernauwt het luminale oppervlak in slagaders, waardoor voldoende bloedtoevoer naar organen en distale weefsels wordt verminderd. Klinisch gezien zijn revascularisatieprocedures zoals ballonangioplastiek met of zonder stentplaatsing gericht op het herstellen van de bloedstroom. Hoewel deze procedures de bloedstroom herstellen door de plaquelast te verminderen, beschadigen ze de vaatwand, die de arteriële genezingsreactie initieert. De langdurige genezingsreactie veroorzaakt arteriële restenose, of opnieuw vernauwing, waardoor uiteindelijk het succes op lange termijn van deze revascularisatieprocedures wordt beperkt. Daarom zijn preklinische diermodellen integraal voor het analyseren van de pathofysiologische mechanismen die restenose veroorzaken en bieden ze de mogelijkheid om nieuwe therapeutische strategieën te testen. Murine-modellen zijn goedkoper en gemakkelijker te bedienen dan grote diermodellen. Ballon- of draadletsel zijn de twee algemeen aanvaarde letselmodaliteiten die in murine-modellen worden gebruikt. Met name ballonletselmodellen bootsen de klinische angioplastiekprocedure na en veroorzaken voldoende schade aan de slagader voor de ontwikkeling van restenose. Hierin beschrijven we de chirurgische details voor het uitvoeren en histologisch analyseren van het aangepaste, drukgecontroleerde ratcarotis slagaderballonletselmodel. Bovendien benadrukt dit protocol hoe lokale periadventitial toepassing van therapieën kan worden gebruikt om neointimale hyperplasie te remmen. Ten slotte presenteren we lichtplaatfluorescentiemicroscopie als een nieuwe benadering voor beeldvorming en visualisatie van de arteriële verwonding in drie dimensies.
Introduction
Hart- en vaatziekten (CVD) blijft wereldwijd de belangrijkste doodsoorzaak1. Atherosclerose is de onderliggende oorzaak van de meeste CVD-gerelateerde morbiditeit en mortaliteit. Atherosclerose is de opbouw van plaque in slagaders die resulteert in een vernauwd lumen, waardoor een goede bloedperfusie naar organen en distale weefsels wordt belemmerd2. Klinische interventies voor de behandeling van ernstige atherosclerose omvatten ballon-angioplastiek met of zonder stentplaatsing. Deze ingreep omvat het oppompen van een ballonkatheter naar de plaats van plaque en het opblazen van de ballon om de plaque naar de arteriële wand te comprimeren, waardoor het luminale gebied wordt verbreed. Deze procedure beschadigt echter de slagader en initieert de arteriële letselrespons3. Langdurige activering van deze letselrespons leidt tot arteriële restenose, of hervernauwing, secundair aan neointimale hyperplasie en remodellering van bloedvaten. Tijdens angioplastiek wordt de intimale laag gedenudeerd van endotheelcellen, wat leidt tot onmiddellijke werving van bloedplaatjes en lokale ontstekingen. Lokale signalering induceert fenotypische veranderingen in vasculaire gladde spiercellen (VSMC) en adventitiale fibroblasten. Dit leidt tot de migratie en proliferatie van VSMC en fibroblasten naar binnen naar het lumen, wat leidt tot neointimale hyperplasie4,5. Circulerende voorlopercellen en immuuncellen dragen ook bij aan het totale volume van restenose6. Indien van toepassing zijn drug-eluting stents (DES) de huidige standaard voor het remmen van restenosis7. DES remt echter arteriële re-endothelialisatie, waardoor een pro-trombotische omgeving ontstaat die kan leiden tot late in-stent trombose8. Daarom zijn diermodellen integraal voor zowel het begrijpen van de pathofysiologie van restenose als voor het ontwikkelen van betere therapeutische strategieën om de werkzaamheid van revascularisatieprocedures te verlengen.
Verschillende grote en kleine diermodellen9 worden gebruikt voor het bestuderen van deze pathologie. Deze omvatten ballonletsel3,10 of draadletsel11 van de luminale kant van een slagader, evenals gedeeltelijke ligatie12 of manchetplaatsing13 rond de slagader. De ballon- en draadletselen denudeen beide de endotheellaag van de slagader en bootsen na wat klinisch gebeurt na angioplastiek. In het bijzonder maken ballonletselmodellen gebruik van vergelijkbare hulpmiddelen als in de klinische omgeving (d.w.z. ballonkatheter). De ballonblessure kan het beste worden uitgevoerd in rattenmodellen, omdat rattenslagaders een geschikte maat zijn voor in de handel verkrijgbare ballonkatheters. Hierin beschrijven we een drukgecontroleerde segmentale arteriële verwonding, een gevestigde, gewijzigde versie van de ballonletsel van de ratcarotisslagader. Deze drukgecontroleerde benadering bootst de klinische angioplastiekprocedure nauw na en maakt reproduceerbare neointimale hyperplasievorming mogelijk twee weken na verwonding14,15. Bovendien resulteert deze drukgecontroleerde arteriële verwonding in volledige endotheellaagherstel met 2 weken na operatie16. Dit staat in schril contrast met het oorspronkelijke ballonletselmodel, beschreven door Clowes, waarbij de endotheellaag nooit terugkeert naar volledige dekking3.
Na de operatie kunnen therapeutische middelen via verschillende benaderingen op de gewonde slagader worden aangebracht of gericht. De hierin beschreven methode maakt gebruik van periadventitial toepassing van een klein molecuul ingebed in een Pluronische geloplossing. In het bijzonder brengen we een oplossing van 100 μM cinnamic aldehyde in 25% Pluronisch-F127 gel direct na verwonding aan op de slagader om neointimale hyperplasievorming te remmen15. Pluronisch-F127 is een niet-toxische, thermokeerbare gel die in staat is om geneesmiddelen lokaal op een gecontroleerde manier af te leveren17. Ondertussen is arteriële verwonding lokaal, vandaar dat de lokale overheid het mogelijk maakt om een actief principe te testen en tegelijkertijd off-target effecten te minimaliseren. Niettemin zal de effectieve levering van een therapeutisch gebruik van deze methode afhangen van de chemie van het kleine molecuul of de biologische gebruikt.
Protocol
Representative Results
Discussion
De rat halsslagader ballon letsel is een van de meest gebruikte en bestudeerde restenosis diermodellen. Zowel het oorspronkelijke ballonletselmodel3 als de gewijzigde drukgecontroleerde segmentale verwondingsvariatie10 hebben veel aspecten van de arteriële letselrespons die ook bij mensen optreedt, geïnformeerd, met als enkele beperkingen dat fibrinerijke trombus zich zelden ontwikkelt en lokale ontsteking minimaal is in vergelijking met andere letselmodellen zoals bij hy…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
N.E.B. werd ondersteund door een opleidingsbeurs van het National Institute of Environmental Health Sciences (5T32ES007126-35, 2018) en een predoctorale fellowship van de American Heart Association (20PRE35120321). E.S.M.B. was een KL2-geleerde die gedeeltelijk werd ondersteund door het UNC Clinical and Translational Science Award-K12 Scholars Program (KL2TR002490, 2018) en het National Heart, Lung, and Blood Institute (K01HL145354). De auteurs danken Dr. Pablo Ariel van het UNC Microscopy Services Laboratory voor zijn hulp bij LSFM. Light Sheet Fluorescence Microscopy werd uitgevoerd in het Microscopy Services Laboratory. Het Microscopy Services Laboratory, Department of Pathology and Laboratory Medicine, wordt gedeeltelijk ondersteund door P30 CA016086 Cancer Center Core Support Grant aan het UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center.
Materials
| 1 mL Syringe | Fisher | 14955450 | |
| 1 mL Syringe with needle | BD | 309626 | |
| 2 French Fogarty Balloon Embolectomy Catheter | Edwards LifeSciences | 120602F | |
| 4-0 Ethilon (Nylon) Suture | Ethicon Inc | 662H | |
| 4-0 Vicryl Suture | Ethicon Inc | J214H | |
| 7-0 Prolene Suture | Ethicon Inc | 8800H | |
| 70% ethyl alcohol | |||
| Anti-Rabbit Alexa Fluor 647 | Thermo Fisher Scientific | A21245 | |
| Atropine Sulfate | Vedco Inc | for veterinary use | |
| Cotton Swabs | Puritan | 806-WC | |
| Curved Hemostats | Fine Science Tools | 13009-12 | |
| Fine Curved Forceps | Fine Science Tools | 11203-25 | |
| Fine Scissors | Fine Science Tools | 14090-11 | |
| Gauze | Covidien | 2252 | |
| IHC-Tek Diluent (pH 7.4) | IHC World | IW-1000 | |
| Insufflator | Merit Medical | IN4130 | |
| Iodine solution | |||
| Lubricating Eye Ointment | Dechra | for veterinary use | |
| Mayo Scissors | Fine Science Tools | 14010-15 | |
| Micro Serrefines | Fine Science Tools | 18055-05 | |
| Microdissection Scissors | Fine Science Tools | 15004-08 | |
| Micro-Serrefine Clamp Applying Forceps | Fine Science Tools | 18057-14 | |
| Needle Holder | Fine Science Tools | 12003-15 | |
| Pluronic-127 (diluted in sterile water) | Sigma-Aldrich | P2443 | 25% prepared |
| Rabbit Anti-CD31 | Abcam | ab28364 | |
| Retractor | Bent paper clips work well | ||
| Rimadyl (Carprofen) | Zoetis Inc | for veterinary use | |
| Saline solution | |||
| Standard Forceps | Fine Science Tools | 11006-12 | |
| Sterile Drape | Dynarex | 4410 | |
| T-Pins |
References
- American Heart Association. Cardiovascular Disease: A Costly Burden for America, Projections Through 2035. American Heart Association CVD Burden Report. , (2017).
- Singh, R. B., Mengi, S. A., Xu, Y. J., Arneja, A. S., Dhalla, N. S. Pathogenesis of atherosclerosis: A multifactorial process. Experimental and Clinical Cardiology. 7 (1), 40-53 (2002).
- Clowes, A. W., Reidy, M. A., Clowes, M. M. Mechanisms of stenosis after arterial injury. Laboratory Investigation. 49 (2), 208-215 (1983).
- Clowes, A. W., Reidy, M. A., Clowes, M. M. Kinetics of cellular proliferation after arterial injury. I. Smooth muscle growth in the absence of endothelium. Laboratory Investigation. 49 (3), 327-333 (1983).
- Sartore, S., et al. Contribution of adventitial fibroblasts to neointima formation and vascular remodeling: from innocent bystander to active participant. Circulation Research. 89 (12), 1111-1121 (2001).
- Tanaka, K., et al. Circulating progenitor cells contribute to neointimal formation in nonirradiated chimeric mice. The FASEB Journal. 22 (2), 428-436 (2008).
- Henry, M., et al. Carotid angioplasty and stenting under protection. Techniques, results and limitations. The Journal of Cardiovascular Surgery. 47 (5), 519-546 (2006).
- Kounis, N. G., et al. Thrombotic responses to coronary stents, bioresorbable scaffolds and the Kounis hypersensitivity-associated acute thrombotic syndrome. Journal of Thoracic Disease. 9 (4), 1155-1164 (2017).
- Jackson, C. L. Animal models of restenosis. Trends in Cardiovascular Medicine. 4 (3), 122-130 (1994).
- Shears, L. L., et al. Efficient inhibition of intimal hyperplasia by adenovirus-mediated inducible nitric oxide synthase gene transfer to rats and pigs in vivo. Journal of the American College of Surgeons. 187 (3), 295-306 (1998).
- Takayama, T., et al. A murine model of arterial restenosis: technical aspects of femoral wire injury. Journal of Visualized Experiments. (97), (2015).
- Zhang, L. N., Parkinson, J. F., Haskell, C., Wang, Y. X. Mechanisms of intimal hyperplasia learned from a murine carotid artery ligation model. Current Vascular Pharmacology. 6 (1), 37-43 (2008).
- Jahnke, T., et al. Characterization of a new double-injury restenosis model in the rat aorta. Journal of Endovascular Therapy. 12 (3), 318-331 (2005).
- Gregory, E. K., et al. Periadventitial atRA citrate-based polyester membranes reduce neointimal hyperplasia and restenosis after carotid injury in rats. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 307 (10), 1419-1429 (2014).
- Buglak, N. E., Jiang, W., Bahnson, E. S. M. Cinnamic aldehyde inhibits vascular smooth muscle cell proliferation and neointimal hyperplasia in Zucker Diabetic Fatty rats. Redox Biology. 19, 166-178 (2018).
- Bahnson, E. S., et al. Long-term effect of PROLI/NO on cellular proliferation and phenotype after arterial injury. Free Radical Biology and Medicine. 90, 272-286 (2016).
- Gilbert, J. C. W., Davies, M. C., Hadgraft, J. The behaviour of Pluronic F127 in aqueous solution studied using fluorescent probes. International Journal of Pharmaceutics. 40 (1-2), 93-99 (1987).
- Tulis, D. A. Histological and morphometric analyses for rat carotid balloon injury model. Methods in Molecular Medicine. 139, 31-66 (2007).
- Buglak, N. E., et al. Light Sheet Fluorescence Microscopy as a New Method for Unbiased Three-Dimensional Analysis of Vascular Injury. Cardiovascular Research. , (2020).
- Renier, N., et al. iDISCO: a simple, rapid method to immunolabel large tissue samples for volume imaging. Cell. 159 (4), 896-910 (2014).
- Ariel, P. . UltraMicroscope II – A User Guide. , (2018).
- Touchard, A. G., Schwartz, R. S. Preclinical restenosis models: challenges and successes. Toxicologic Pathology. 34 (1), 11-18 (2006).
- Xiangdong, L., et al. Animal models for the atherosclerosis research: a review. Protein Cell. 2 (3), 189-201 (2011).
- Chen, H., Li, D., Liu, M. Novel Rat Models for Atherosclerosis. Journal of Cardiology and Cardiovascular Sceinces. 2 (2), 29-33 (2018).
- Xing, D., Nozell, S., Chen, Y. F., Hage, F., Oparil, S. Estrogen and mechanisms of vascular protection. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 29 (3), 289-295 (2009).
- Tulis, D. A. Rat carotid artery balloon injury model. Methods in Molecular Medicine. 139, 1-30 (2007).
- Pellet-Many, C., et al. Neuropilins 1 and 2 mediate neointimal hyperplasia and re-endothelialization following arterial injury. Cardiovascular Research. 108 (2), 288-298 (2015).
- Wu, B., et al. Perivascular delivery of resolvin D1 inhibits neointimal hyperplasia in a rat model of arterial injury. Journal of Vascular Surgery. 65 (1), 207-217 (2017).
- Tan, J., Yang, L., Liu, C., Yan, Z. MicroRNA-26a targets MAPK6 to inhibit smooth muscle cell proliferation and vein graft neointimal hyperplasia. Scientific Reports. 7, 46602 (2017).
- Pearce, C. G., et al. Beneficial effect of a short-acting NO donor for the prevention of neointimal hyperplasia. Free Radical Biology and Medicine. 44 (1), 73-81 (2008).
- Cao, T., et al. S100B promotes injury-induced vascular remodeling through modulating smooth muscle phenotype. Biochimica et Biophysica Acta – Molecular Basis of Disease. 1863 (11), 2772-2782 (2017).
- Madigan, M., Entabi, F., Zuckerbraun, B., Loughran, P., Tzeng, E. Delayed inhaled carbon monoxide mediates the regression of established neointimal lesions. Journal of Vascular Surgery. 61 (4), 1026-1033 (2015).
- Khurana, R., et al. Angiogenesis-dependent and independent phases of intimal hyperplasia. Circulation. 110 (16), 2436-2443 (2004).
- Tsihlis, N. D., Vavra, A. K., Martinez, J., Lee, V. R., Kibbe, M. R. Nitric oxide is less effective at inhibiting neointimal hyperplasia in spontaneously hypertensive rats. Nitric Oxide. 35, 165-174 (2013).
- Chen, J., et al. Inhibition of neointimal hyperplasia in the rat carotid artery injury model by a HMGB1 inhibitor. Atherosclerosis. 224 (2), 332-339 (2012).
- Mano, T., Luo, Z., Malendowicz, S. L., Evans, T., Walsh, K. Reversal of GATA-6 downregulation promotes smooth muscle differentiation and inhibits intimal hyperplasia in balloon-injured rat carotid artery. Circulation Research. 84 (6), 647-654 (1999).
- Becher, T., et al. Three-Dimensional Imaging Provides Detailed Atherosclerotic Plaque Morphology and Reveals Angiogenesis after Carotid Artery Ligation. Circulation Research. 126 (5), 619-632 (2020).
