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Medicine

Eine Ratte Carotis Arterie Druck-kontrollierte segmentale Ballonverletzung mit periadventitialen therapeutischen Anwendung

Published: July 9, 2020 doi: 10.3791/60473

Summary

Die Ratten-Carotis-Arterie Ballon-Verletzung imitiert das klinische Angioplastie-Verfahren zur Wiederherstellung des Blutflusses in atherosklerotischen Gefäßen. Dieses Modell induziert die arterielle Verletzungsreaktion, indem es die arterielle Wand distend und die Intimschicht von Endothelzellen denudiert, was letztlich zu einer Umgestaltung und einer intimalen hyperplastischen Reaktion führt.

Abstract

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind nach wie vor die häufigste Todesursache und Behinderung weltweit, zum Teil aufgrund von Arteriosklerose. Atherosklerotische Plaque verengt die luminale Oberfläche in den Arterien und reduziert so den ausreichenden Blutfluss zu Organen und distalen Geweben. Klinisch zielen Revaskularisationsverfahren wie Ballonangioplastie mit oder ohne Stentplatzierung darauf ab, den Blutfluss wiederherzustellen. Obwohl diese Verfahren den Blutfluss wieder herstellen, indem sie die Plaquebelastung reduzieren, beschädigen sie die Gefäßwand, die die arterielle Heilungsreaktion einleitet. Die verlängerte Heilungsreaktion verursacht arterielle Resensibilisierung oder eine erneute Verengung, was letztlich den langfristigen Erfolg dieser Revaskularisationsverfahren einschränkt. Daher sind präklinische Tiermodelle integraler Bestandteil für die Analyse der pathophysiologischen Mechanismen, die die Restenose antreiben, und bieten die Möglichkeit, neuartige therapeutische Strategien zu testen. Murine Modelle sind billiger und einfacher zu bedienen als große Tiermodelle. Ballon- oder Drahtverletzungen sind die beiden allgemein akzeptierten Verletzungsmodalitäten, die in murinen Modellen verwendet werden. Insbesondere Ballonverletzungsmodelle imitieren das klinische Angioplastieverfahren und verursachen ausreichende Schäden an der Arterie für die Entwicklung der Restenose. Hierin beschreiben wir die chirurgischen Details für die Durchführung und histologische Analyse des modifizierten, druckgesteuerten Ratten-Carotis-Arterien-Verletzungsmodells. Darüber hinaus zeigt dieses Protokoll, wie lokale periadventitelle Anwendung von Therapeutika verwendet werden kann, um neointimale Hyperplasie zu hemmen. Schließlich präsentieren wir die Lichtbogenfluoreszenzmikroskopie als neuartigen Ansatz zur Abbildung und Visualisierung der arteriellen Verletzung in drei Dimensionen.

Introduction

Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) bleibt weltweit die häufigste Todesursache1. Atherosklerose ist die zugrunde liegende Ursache für die meisten CVD-bedingten Morbiditätunden. Atherosklerose ist die Ansammlung von Plaque in arterien, die in einem verengten Lumen führt, die ordnungsgemäße Blutdurchblutung zu Organen und distalen Geweben behindert2. Klinische Interventionen zur Behandlung schwerer Arteriosklerose sind Ballonangioplastie mit oder ohne Stentplatzierung. Diese Intervention beinhaltet das Vorrücken eines Ballonkatheters an die Stelle der Plaque, und das Aufblasen des Ballons, um die Plaque auf die arterielle Wand zu komprimieren, die Die Luminalfläche zu verbreitern. Dieses Verfahren schadet jedoch der Arterie und initiiert die arterielleVerletzungsreaktion 3. Eine längere Aktivierung dieser Verletzungsreaktion führt zu arterieller Resetnose oder Re-Verengung, sekundär zu neointimer Hyperplasie und Gefäßumbau. Während der Angioplastie wird die Intimschicht von Endothelzellen denudiert, was zu einer sofortigen Thrombozytenrekrutierung und lokalen Entzündungen führt. Lokale Signalisierung induziert phänotypische Veränderungen in vaskulären glatten Muskelzellen (VSMC) und adventlichen Fibroblasten. Dies führt zur Migration und Verbreitung von VSMC und Fibroblasten nach innen zum Lumen, was zu neointimer Hyperplasie4,5führt. Zirkulierende Vorläuferzellen und Immunzellen tragen ebenfalls zum Gesamtvolumen der Restenose6bei. Gegebenenfalls sind drogeneluierende Stents (DES) der aktuelle Standard zur Hemmung der Restenose7. DES hemmt jedoch eine arterielle Reendothelisierung und schafft so eine prothrombotische Umgebung, die zu einer späten In-Stent-Thrombose führen kann8. Daher sind Tiermodelle sowohl für das Verständnis der Pathophysiologie der Restenose als auch für die Entwicklung besserer therapeutischer Strategien zur Verlängerung der Wirksamkeit von Revaskularisationsverfahren von wesentlicher Bedeutung.

Mehrere große und kleine Tiermodelle9 werden für das Studium dieser Pathologie verwendet. Dazu gehören Ballon-Verletzung3,10 oder Draht-Verletzung11 der luminalen Seite einer Arterie, sowie Teilligation12 oder Manschettenplatzierung13 um die Arterie. Die Ballon- und Drahtverletzung verleugnen die Endothelschicht der Arterie und imitieren, was klinisch nach der Angioplastie geschieht. Insbesondere verwenden Ballonverletzungsmodelle ähnliche Werkzeuge wie im klinischen Umfeld (d. h. Ballonkatheter). Die Ballonverletzung wird am besten in Rattenmodellen durchgeführt, da Rattenarterien eine geeignete Größe für handelsübliche Ballonkatheter sind. Hierin beschreiben wir eine druckgesteuerte segmentale Arterienverletzung, eine etablierte, modifizierte Version der Rattenkarotisarterienballonverletzung. Dieser druckgesteuerte Ansatz imitiert das klinische Angioplastieverfahren und ermöglicht eine reproduzierbare neointimale Hyperplasiebildung zwei Wochen nach Derverletzung14,15. Darüber hinaus führt diese druckgesteuerte arterielle Verletzung zu einer vollständigen Endothelschichtwiederherstellung um 2 Wochen nach der Operation16. Dies steht direkt im Gegensatz zum ursprünglichen Ballonverletzungsmodell, das von Clowes beschrieben wird, wo die Endothelschicht nie wieder vollständig abgedeckt wird3.

Nach der Operation können Therapeutika auf die verletzte Arterie durch mehrere Ansätze angewendet oder auf sie gerichtet werden. Das hier beschriebene Verfahren verwendet die periadventitelle Anwendung eines kleinen Moleküls, das in eine Pluronic-Gellösung eingebettet ist. Insbesondere wenden wir eine Lösung von 100 'M cinnamic aldehyd in 25% Pluronic-F127 Gel auf die Arterie unmittelbar nach der Verletzung an, um die neointimale Hyperplasiebildung zu hemmen15. Pluronic-F127 ist ein ungiftiges, thermoreversibles Gel, das in der Lage ist, Medikamente lokal kontrolliert zu liefern17. In der Zwischenzeit ist die arterielle Verletzung lokal, daher ermöglicht die lokale Verwaltung das Testen eines Aktivenprinzips bei gleichzeitiger Minimierung von Off-Target-Effekten. Dennoch hängt die effektive Abgabe eines Therapeuten mit dieser Methode von der Chemie des verwendeten kleinen Moleküls oder biologischen Materials ab.

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Protocol

Alle hier beschriebenen Methoden wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der University of North Carolina at Chapel Hill genehmigt.

1. Präoperative Verfahren

  1. Sterilisieren Sie chirurgische Instrumente. Autoklaven Sie alle chirurgischen Instrumente vor der Operation. Wenn Sie mehrere Operationen am selben Tag durchführen, sterilisieren Sie Instrumente zwischen Operationen mit einem trockenen Perlensterilisator.
  2. Bereiten Sie therapeutische in 25% Pluronic-127 Gel (in sterilem destilliertem Wasser verdünnt).
  3. Richten Sie einen 2F Fogarty Ballonkatheter auf den Insufflator ein und legen Sie das Ballonende des Katheters in eine 1 ml Spritze, die mit einer Salinelösung gefüllt ist.
  4. Induzieren Sie anästhesie, indem Sie die Ratte in eine Kammer mit 5% Isofluran e.V. setzen.
    1. Entfernen Sie die Ratte aus der Kammer und notieren Sie das Gewicht der Ratte. Verwenden Sie Haarschneider, um Fell auf dem ventralen Halsbereich zu rasieren.
    2. Legen Sie die Ratte wieder in die Kammer mit 5% Isofluran, um die Induktion der Anästhesie zu gewährleisten.
  5. Legen Sie die Rattensupine auf eine chirurgische Plattform und setzen Sie das Gesicht in den Nasenkegel, so dass das Rattengesicht in Richtung des Chirurgen ist.
    1. Reduzieren Sie die inhalative Anästhesie auf 1,5% Isofluran. Überprüfen Sie die Tiefe der Anästhesie durch einen Zehen-Pinch-Reflex auf allen vier Füßen.
    2. Band alle vier Beine bis zur chirurgischen Plattform.
  6. Schalten Sie die Wärmelampe ein.
  7. Injizieren Sie Atropin (0,01 mg/kg) subkutan, um Atemwegssekrete zu reduzieren.
  8. Injizieren Sie Carprofen (5 mg/kg) subkutan zur prophylaktischen Schmerztherapie. Wenn entzündungshemmende Medikamente für das Experiment nicht akzeptabel sind, beziehen Sie sich auf die Schritte 3.2.2 und 3.2.3.
  9. Verwenden Sie Schmiermittel-Augensalbe auf beide Augen mit einem sterilen Wattestäbchen, um das Trocknen von Hornhäuten während der Operation zu verhindern.
  10. Wischen Sie den Hals dreimal in einer kreisförmigen Bewegung abwechselnd zwischen 70% Ethylalkohol gefolgt von Betadine aus der Mitte der rasierten Region nach außen, um die Einschnittstelle zu sterilisieren.
  11. Infiltrieren Sie die Einschnittlinie s.c. mit 0,25% Bupivacain.
  12. Setzen Sie sterile chirurgische Handschuhe auf, bevor Sie sterile chirurgische Instrumente und Zubehör verwenden.
  13. Legen Sie alle autoklavierten chirurgischen Instrumente auf einem sterilen chirurgischen Blatt aus.
  14. Schneiden Sie drei unabhängige 1 Zoll Stränge steriler 7-0 Prolene Naht.
  15. Wattestäbchen und Gaze auf chirurgisches Blatt legen.
  16. Die Ratte mit einem sterilen Operationsblatt, das nur den sterilisierten Halsbereich freilegt, drapieren.
  17. Schneiden Sie eine zusätzliche kleine Öffnung in Blatt, die einen Teil des Nasenkegels freisetzt. Dies wird der Ort sein, um den Ballonkatheter während der Verletzung zu kleben.

2. Operative Verfahren

  1. Während des gesamten chirurgischen Eingriffs die Tiefe der Anästhesie bewerten, indem Sie die Atemfrequenz überwachen (die Rate sollte konsistent und als normal angesehen werden) sowie alle 15 min durch Zehenkneifen. Wenn die Atemfrequenz steigt oder es eine Reaktion auf die Zehenprise gibt, dann unterbrechen Sie die chirurgische Manipulation und erhöhen Sie Isofluran bis zu 2,5%.
  2. Belichten Sie die gemeinsame Halsschlagader (CCA).
    1. Machen Sie einen oberflächlichen, geraden, Längsausschnitt Schnitt zwischen den Kieferknochen der Ratte. Der Schnitt wird etwa 1,5-2 cm lang sein.
    2. Machen Sie einen Schnitt durch das Bindegewebe unter der Haut, bis die Muskelschicht ausgesetzt ist. Verdrängen Sie die Speicheldrüsen unter der Haut, um auf das Muskelgewebe zuzugreifen.
    3. Trennen Sie das Bindegewebe unverblümt vom Muskel, indem Sie eine geschlossene Schere zwischen Muskelschicht und Bindegewebe einsetzen und die Schere sanft öffnen, während Sie die Haut nach oben ziehen.
  3. Sezieren Sie die beiden sichtbaren Muskeln (sternohyoid und sternomastoid) längs entlang der linken Seite der Luftröhre, bis ein dritter Muskel (Omohyoid) beobachtet wird, der senkrecht zu den beiden oberflächlichen Muskeln verläuft.
  4. Verwenden Sie Zangen, um ein Fenster zu erstellen, das diesen senkrechten Muskel (Omohyoid) vom Längsmuskel (Sternohyoid) trennt, der auf der Luftröhre verläuft. Führen Sie diese Trennung vorsichtig durch, um ein stumpfes Trauma der Luftröhre zu verhindern.
  5. Erreichen Sie Zangen unter dem senkrechten Muskel und schneiden Sie die beiden Längsmuskeln zu trennen und die CCA aussetzen.
  6. Sezieren Sie die CCA.
    1. Sezieren Sie die CCA in der Nähe der Bifurkation, bis die interne Halsschlagader (ICA) und die äußere Halsartery (ECA) freigelegt werden.
    2. Sezieren Sie die überlegene Schilddrüsenarterie (STA), die aus dem ECA verzweigt.
    3. Mit den vorgeschnittenen Prolene-Nähten ligate die STA und die ECA in der Nähe ihrer jeweiligen Bifurkation. Lassen Sie den Großteil der Naht auf einer Seite des Knotens und greifen Sie jede Naht mit einem gekrümmten Hämostat.
    4. Beenden Sie die Sezierung um die ICA, erreichen Sie Zangen unter und um die ICA und verwenden Sie eine nicht zerkleinerte Gefäßklemme, um eine distale Kontrolle zu erreichen. Klemmen Sie die Okzipitalarterie zusammen mit der ICA.
    5. Sezieren Sie das CCA-Proximal zur Bifurkation und stellen Sie sicher, dass der Vagusnerv vom CCA getrennt wird.
    6. Erreichen Sie Zangen unter und um den CCA und verwenden Sie eine nicht zerkleinerte Gefäßklemme, um eine proximale Kontrolle zu erreichen. Klemme mindestens 5 mm von der Bifurkation entfernt.
  7. Führen Sie Ballonverletzungen aus.
    1. Manövrieren Sie die gekrümmten Hämostate, die jeden ligaten Arterienzweig halten, um die Bifurkation zwischen dem ECA und dem überlegenen Zweig aufzudecken.
    2. Sezieren Sie das Gewebe vorsichtig an der Bifurkation und machen Sie dann einen Arteriotomie-Schnitt zwischen dem ECA und dem überlegenen Zweig mit einer Mikrodissektionsschere.
    3. Verwenden Sie einen Wattestäbchen, um das gesamte Blut aus dem CCA zu schieben und die Arteriotomie-Website zu säubern.
    4. Legen Sie den ungeblähen Ballonkatheter durch die Arteriotomie ein und rücken Sie in die CCA vor, bis das proximale Ende des Ballons hinter der Bifurkation liegt.
    5. Bandkatheter an den Nasenkegel, damit der Ballon während der Inflation nicht aus der Arterie rutscht.
    6. Aufblasen Sie den Ballon langsam auf 5 Druckatmosphären und lassen Sie ihn 5 Minuten lang im CCA ab, um eine arterielle Verletzung auszulösen. Stellen Sie sicher, dass der Druck während der gesamten 5 min konstant bleibt.
    7. Nach 5 min, entleeren Ballon und sanft aus dem CCA durch die Arteriotomie zu entfernen.
    8. Spülen Sie den CCA, indem Sie die Klemme am CCA vorsichtig drücken. Entfernen Sie die Klemme nicht.
    9. Ligate das ECA-Proximal an die Arteriotomie und entferne dann die Klemmen aus dem CCA und der ICA, um den Blutfluss durch das CCA in die ICA wiederherzustellen. Stellen Sie sicher, dass es keine sichtbaren Blutungen um die Arteriotomie gibt und dass die CCA pulsiert.
  8. Tragen Sie allein 100 L therapeutisches oder pluronisches Gelfahrzeug periadventitially entlang des verletzten CCA auf. Achten Sie dabei auf die linke Seite des CCA und dann auf die rechte Seite des CCA, um eine gleichmäßige Beschichtung der verletzten Arterie zu gewährleisten.
  9. Schließen Sie die Wundstelle.
    1. Überschüssige Prolene-Nähte schneiden.
    2. Schließen Sie die Wunde mit unterbrochenen 4-0 oder 6-0 Vicryl-Schichten entlang des Bindegewebes.
    3. Beenden Sie das Schließen der Wunde mit laufender 4-0 Nylon Naht entlang der Haut.

3. Postoperative Verfahren

  1. Legen Sie die Ratte allein in einen sauberen Käfig mit der Hälfte des Käfigs unter einer Heizlampe und überwachen Sie, bis die Ratte genügend Bewusstsein zurückerlangt, um die Brustruhe aufrechtzuerhalten. Halten Sie die Ratte in einem separaten Käfig, bis das Tier vollständig wachsam und mobil ist, bevor Es in seinen ursprünglichen Käfig zurückversetzt wird.
  2. Überwachen Sie die Ratte täglich für die nächsten drei Tage und dann dreimal pro Woche bis zur Sterbehilfe. Euthanisieren Sie mit Isofluran-Überdosierung gefolgt von bilateraler Thorakotomie wie unten beschrieben.
    1. Nutzen Sie das National Centre for the Replacement Refinement & Reduction of Animals in Research (NC3Rs) Grimace Scale, um postoperative Schmerzniveaus zu identifizieren. Wenn ein Tier Schmerzen zu haben scheint oder einen neurologischen Kompromiss entwickelt, opfern Sie sofort.
    2. Für Tiere, die kein Carprofen erhalten, adienen Acetaminophen 6 mg/ml in ihrem Trinkwasser 24 h vor der Operation durch 48 h nach der Operation. Acetaminophen bietet Analgesie mit minimalen entzündungshemmenden Wirkungen.
    3. Alternativ können andere Analgesie-Strategien mit minimaler entzündungshemmender Wirkung verwendet werden, wie Buprenorphin oder Buprenorphin erweiterte Freisetzung. Wenden Sie sich an das Veterinärteam Ihrer Einrichtung.

4. Gewebeernte und Bildgebung

  1. Zwei Wochen nach der Operation, einschläfern Sie die Ratte durch Überdosierung der Anästhesie (5% Isofluran). Alternativ können Ratten zu einem früheren Zeitpunkt eingeschläfert werden, um die verschiedenen Aspekte der arteriellen Verletzungsreaktion zu analysieren.
    1. Sobald die Atmung stoppt, führen bilaterale Thorakotomie als sekundäre Methode der Euthanasie.
  2. Machen Sie einen seitlichen Schnitt durch den Bauch, und schneiden Sie dann nach oben, durch das Zwerchfell und die Rippen, die die Brusthöhle freisetzen.
  3. Durchdringen und fixieren Sie die Arterien.
    1. Legen Sie eine 18 G Kanüle, die an einem Gravitationsperfusions-Fixationssystem befestigt ist, durch den linken Ventrikel ein. Halten Sie den äquivalenten Druck zwischen Ratten aufrecht, indem Sie die Höhe des Perfusionssystems relativ zur Tischplatte markieren (120 cm Höhe, entsprechend 91 ± 3 mmHg).
    2. Klemmen Sie die Kanüle zusammen mit dem Ventrikel mit einem gekrümmten Hämostat.
    3. Machen Sie einen Schnitt im rechten Vorhof, öffnen Sie den Gefäßkreislauf und beginnen Sie die Perfusion mit PBS, gefolgt von 2-4% Paraformaldehyd (jeweils ca. 250 ml).
    4. Bereiten Sie Paraformaldehyd in PBS am Tag des Opfers verdünnt, oder höchstens in der Nacht vor dem Opfer. Bei der Vorbereitung am Tag des Opfers, stellen Sie sicher, dass Paraformaldehyd auf Raumtemperatur abgekühlt ist, bevor Sie mit der Perfusion beginnen. Paraformaldehyd bei 4 °C lagern.
  4. Nach der Fixierung die linken und rechten Karotisarterien extrahieren und bei 4 °C für 2 h in 2-4% Paraformaldehyd lagern.
  5. Arterien auf 30% Saccharose übertragen und über Nacht bei 4 °C lagern.
  6. Nach 16-24 h die Arterien in eine optimale Schnitttemperatur (OCT) einbetten und OCT-eingebettete Arterienblöcke einfrieren.
    1. Zustand Arterien in OCT bei Raumtemperatur für 10 min. Platzieren Sie die Arterie parallel zur Ebene des mit OCT gefüllten Kryomolds und markieren Sie die Seite des Kryomolds, auf die die arterielle Bifurkation gerichtet ist. Snap-Freeze in flüssigem Stickstoff.
    2. Tiefkühlblöcke langfristig bei -80 °C lagern.
  7. Abschnitt gefrorene Blöcke mit einem Kryostat.
    1. Sammeln Sie sechs 5 m dicke arterielle Querschnitte pro Rutsche, wobei Rutsche 1 an der Bifurkation beginnt.
    2. Abschnitt eingefrorene Blöcke, bis Hyperplasie nicht mehr sichtbar ist (ca. 100 Dias).
  8. Hämatoxylin & Eosin (H&E) Fleckenrutschen18
    1. Finden Sie den Bereich der Verletzung, indem Sie eine von zehn Dias entlang der gesamten Arterie ab der Bifurkation (z. B. Rutschen 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 und 100) färben.
    2. Stain zusätzliche Dias um die Stelle der Verletzung, um die Rutsche mit Spitzenverschluss zu finden (z. B. Rutschen 20, 30 und 40 hatten sichtbare Hyperplasie, so Fleckenrutschen 15, 25, 35 und 45).
    3. Beflecken und quantifizieren Sie die Rutsche mit Spitzenverschluss und äquidistanten Dias vor und nach dem Spitzenverschlussrutsche (z. B. Spitzenverschluss, der bei Folie 35 gefunden wird, dann Flecken und Quantifizierungsgleitet 25, 45 usw.) für insgesamt 3-10 Dias pro Ratte.
  9. Für die Lichtbogenfluoreszenzmikroskopie-Bildgebung die Arterien über Nacht bei 4 °C nach Fixierung in Schritt 4.4 aufbewahren.
    1. Probearterie mit 1:500 Verdünnung des Kaninchenanti-CD31 Primärantikörpers in Verdünnungsmittel (pH 7.4) für 3 Tage. Dann Gegenfleck arterien mit 1:500 Verdünnung von Anti-Kaninchen Alexa Fluor 647 Sekundärantikörper für 2 Tage19.
    2. Löschen Sie die Arterie mit iDISCO+20.
    3. Bild der Arterie mit einem Lichtbogenfluoreszenzmikroskop21. Rendern von Bildern mit Software (z.B. Imaris)19.
  10. Quantifizieren Sie neointimale Hyperplasie. Führen Sie die Quantifizierung nach Möglichkeit in geblendeter Weise durch.
    1. Verwenden Sie die ImageJ-Software, um den Umfang der oben ermittelten 3-10 Dias (Schritt 4.8.3) zu verfolgen.
    2. Quantifizieren Sie die Fläche jeder verfolgten Region in ImageJ, und exportieren Sie diese Werte. Die Intima-Spur ergibt das Lumengebiet, die IEL-Spur ergibt das IEL-Gebiet und die EEL-Spur ergibt das EEL-Gebiet.
    3. Durchschnittlich die Werte, die aus den 3-10 Dias erhalten werden, um die durchschnittliche Verletzung (% Okklusion, Intima:Media (I:M) Verhältnis, neointimale Hyperplasie) pro Rattenkarotisarterie zu erhalten.
      Neointimalhyperplasie = IEL-Bereich - Lumenbereich
      Equation 1
      Equation 2

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Representative Results

Abbildung 1 zeigt alle Materialien und chirurgischen Werkzeuge, die für diese Operation verwendet werden. Die Hematoxylin-&Eosin-Färbung (H&E) von zweiwöchigen verletzten arteriellen Querschnitten ermöglicht eine klare Visualisierung der neointimalen Hyperplasie. Abbildung 2 zeigt repräsentative Bilder von H&E-befleckten arteriellen Querschnitten einer gesunden, verletzten und behandelten Arterie. Abbildung 2 zeigt auch, wie der Grad der neointimalen Hyperplasie in einer verletzten Arterie mit ImageJ, einer weit verbreiteten Bildverarbeitungssoftware, quantifiziert werden kann. Mit diesem Ansatz werden der Umfang der Neointima sowie die innere und externe elastische Lamina verfolgt, um die jeweiligen Bereiche zu quantifizieren. Die von uns beschriebene druckgesteuerte segmentale Verletzungsmethode ergibt ein Intima-Medien-Verhältnis von 0,80 mit einer Standardabweichung von 0,29 (2 verschiedene Chirurgen und n=11 Ratten). Die Behandlung mit periadventitialer Anwendung von CA in Pluronic führt zu einer Hemmung der neointimalen Hyperplasie, wie wir bereits gezeigt haben (61% Reduktion der prozentualen Okklusion)15.

Abbildung 3 zeigt eine Illustration für die Erstellung einer optimalen Arteriotomie bei der Bifurkation des ECA und der STA. Schließlich zeigt Abbildung 4, wie die Lichtbogenfluoreszenzmikroskopie verwendet werden kann, um den gesamten Verletzungsbereich entlang der Länge der Arterie zu visualisieren. CD31 Färbung zur Visualisierung der Endothelzellen, die die Intimschicht aussäen, kann an festen Arterien durchgeführt werden. Arterien können dann in 1% Agarose eingebettet und mit der iDISCO+-Methode zur Homogenisierung des Brechungsindexes der Probe20gelöscht werden. Dann können die Arterien in einem Lichtbogenfluoreszenzmikroskop abgebildet werden und die Bilder können mit einer Software zur Quantifizierung des I:M-Verhältnisses gerendert werden. Mit diesem Ansatz haben wir ein I:M-Verhältnis von 0,86 erreicht, was mit den H&E-Ergebnissen im Einvernehmen ist.

Abschnittsnummer Verweis
10 Abschnitte 27
8 Abschnitte 28
6-10 Abschnitte 29
6 Abschnitte 30
5 Abschnitte 31
3 Abschnitte 32

Tabelle 1. Häufig verwendete Anzahl arterieller Querschnitte für die Hyperplasie-Analyse.

Figure 1
Abbildung 1. Chirurgische Instrumente und Werkzeuge. Im Uhrzeigersinn in der Reihenfolge beginnend in der oberen linken Ecke des Bildes: (A) Wattestäbchen; (B) Betadine-Lösung; (C) Gaze; (D) 70% Ethylalkohollösung; (E) 1cc Spritzen mit Nadel; (F) Atropin; (G) Retraktoren; gebogene Büroklammern, die hier verwendet werden; (H) Rimadyl; (I) Mikroserrefine-Klemmzange, die Zange aufzwingt; (J) Nadelhalter; (K) 4-0 Nylon Naht; (L) 4-0 Vicryl-Nähte; (M) Sterile Vorhänge; (N) Mayo-Schere; (O) Standardzange; (P) Fein gekrümmte Zangen; (Q) Mikrodissektionsschere; (R) Micro-Serrefin-Klemmen; (S) Feine Schere; (T) T-Pins; (U) Gekrümmte Hämostate; (V) Drei 7-0 Prolene Nähte auf ca. 1 Zoll geschnitten; (W) 100 l mit 25% pluronischem-127 Gel; (X) Schmieraugensalbe; (Y) 2 Französische Ballonembolektomie Katheter in steriler Salinelösung; (Z) Insufflator. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2. Hematoxylin & Eosin (H&E) Färbung und Analyse von Ratten-Carotis-Arterienquerschnitten. (A) Querschnitt der gesunden, unverletzten rechts Karotisarterie. IEL = Interne elastische Lamina, EEL = Externe elastische Lamina. (B) Querschnitt von zwei Wochen verletzten linken Halsschlag arterie behandelt mit Pluronic-F127 Fahrzeug. (C) Querschnitt von zweiwöchigen verletzten linken Karotisarterien, die mit 100 m cinnamischem Aldehyd behandelt wurden. Skala bar = 100 m. (D) Schnittschema der gefrorenen Arterien zur Quantifizierung von Verletzungen. Folie 1 beginnt an der Bifurkation und sechs arterielle Abschnitte mit einer Breite von 5 m werden pro Rutsche aufgenommen. Das Schnitten fährt in der Regel weiterhin 70, da die Verletzung normalerweise vor diesem Dia auftritt. (E) Querschnitt der verletzten linken Halsschlagader mit Pluronischem Fahrzeug behandelt (B). Die innerste schwarze Linie zeichnet die Neointima nach und umgrenzt den Luminalbereich. Die mittlere gelbe Linie umgibt den Bereich der inneren elastischen Lamina oder Tunika intima. Die äußere blaue Linie umgibt den Bereich der äußeren elastischen Lamina, oder Tunika adventitia. Maßstabsbalken = 100 m (F) Berechnungen zur Messung der prozentualen Gefäßokklusion und des Intima:Media-Verhältnisses (I:M) basierend auf Messungen aus (E). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3. Arteriotomie Schöpfung. Abbildung der Schritte, um eine richtige Arteriotomie zu schaffen, und Vermeidung eines falschen Trakts. CCA = Gemeinsame Halsschlagader, ECA = Externe Halsschlagader, ICA = Innere Halsschlagader, OA = Okzipitale Arterie, STA = Überlegene Schilddrüsenarterie. Isolieren Sie die Bifurkation zwischen den Zweigen ECA und STA. Sezieren Sie diese Bifurkation, bis sich der Bereich in eine hellere Farbe ändert, was auf eine Ausdünnung der arteriellen Wand hinweist, und erstellen Sie dann eine Arteriotomie mit einer Mikrodissektionsschere. Heben Sie die Arteriotomie mit feinen Zangen, um das Einsetzen von Ballons zu unterstützen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4. Lichtbogenfluoreszenzmikroskopie zur Visualisierung von arteriellen Verletzungen. Längsquerschnitte entlang der Länge der gemeinsamen Halsschlagader einer 14 Wochen alten Sprague Dawley Ratte mit einem repräsentativen Querschnitt darunter. Arterien sind mit CD31 gefärbt und mit AF647 kontragefärbt. (A) Querschnitte gesunder, unverletzter rechtskarotisierter Arterie. Weiß = CD31, Grün = Elastische Lamina, L = Lumen, Skalenstange = 200-500 m. (B) Querschnitte verletzter, linker Halsschlagader, behandelt mit Pluronic-F127 Fahrzeug. Pfeilspitzen zeigen Regionen der neointimalen Hyperplasie an. (C) Intima zu Media (I:M) Verhältnis von unverletzter und verletzter Halsschlagader, mit genauem Wert für jede Gruppe (n=1). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

Die Ratten-Carotis-Arterie Ballonverletzung ist eine der am häufigsten verwendeten und untersuchten Restenose-Tiermodelle. Sowohl das ursprüngliche Ballonverletzungsmodell3 als auch die modifizierte druckgesteuerte Segmentverletzungsvariante10 haben viele Aspekte der arteriellen Verletzungsreaktion, die auch beim Menschen auftritt, informiert, wobei die wenigen Einschränkungen darin bestehen, dass sich fibrinreicher Thrombus selten entwickelt und lokale Entzündungen im Vergleich zu anderen Verletzungsmodellen wie hypercholesterolemmischen Kaninchen oder Schweinemodellen9,22minimal sind. Die Ratten können auch zu verschiedenen Zeitpunkten geopfert werden, um die verschiedenen Aspekte der arteriellen Verletzungsreaktion zu quantifizieren und zu analysieren. Zum Beispiel können frühere Zeitpunkte verwendet werden, um Aspekte der frühen Reaktion auf Verletzungen wie Zellproliferation, phänotypischen Schalter von vaskulären glatten Muskelzellen und die frühe Immunantwort zu studieren. Wir haben bereits gezeigt, dass Leukozyteninfiltration und Zellproliferation maximal zwischen 3 Tagen und 1 Woche16sind. Zwischenzeitpunkte können verwendet werden, um die Rate der Erneutendothelialisierung zu bewerten. Der zweiwöchige Zeitpunkt ist der früheste vorgeschlagene Zeitpunkt für die Messung der neointimalen Hyperplasie, da die Arterie an dieser Stelle16meist wieder endothelialisiert wird. Eine wesentliche Einschränkung für die Übersetzung dieses Modells ist, dass die Verletzung in einer gesunden Arterie durchgeführt wird, während dieses Verfahren bei Patienten mit atherosklerotischer Erkrankung auftritt. Diese Einschränkung besteht zum Teil aufgrund des früheren Mangels an verfügbaren Ratten-Atherosklerose-Modellen23,24. Die Fortschritte in den Gen-Editing-Technologien haben jedoch die Entwicklung zuverlässiger atherosklerotischer Rattenmodelleermöglicht 24, die neue Erkenntnisse in der Untersuchung der Pathophysiologie der Restenose liefern können.

Vergleichsweise, männliche Ratten ergeben eine robustere Verletzung als weibliche Ratten, die in der Regel weniger neointimale Hyperplasie möglicherweise aufgrund einer schützenden Wirkung von Östrogen25entwickeln. Das beschriebene Modell ist jedoch immer noch geeignet, die arterielle Heilung bei Frauen zu untersuchen. Männliche Ratten alterung 12-16 Wochen, zwischen 300-400 g ergeben die robusteste und reproduzierbare Neointimbildung. Ratten unter 12 Wochen können verwendet werden; Die Arterien dieser jüngeren Ratten können jedoch zu klein sein, als dass der 2F Ballon je nach Rattenstamm problemlos in die Arterie gelangen könnte. Ratten mit einem Gewicht von weniger als 200 Gramm sollten mit diesem Modell nicht operiert werden, da der Ballon nicht leicht durch die Arteriotomie passt und die Arterie tatsächlich zerreißen kann, wenn er gezwungen wird. Zusätzlich kann die Verwendung von Ratten, die älter als 16 Wochen sind, eine variable Reaktion bei der Neotimbildung ergeben. Verschiedene Rattenstämme können für die Durchführung dieses Verletzungsmodells verwendet werden, wobei Sprague Dawley Ratten die am häufigsten verwendeten in der Literatur26. Um die Operation zu beginnen, erhalten Sie zuerst die richtige Ausrichtung und Ausrichtung der Einschnittstelle im Hals, indem Sie für die Kieferknochen fühlen und die Rattennase verwenden, um die Mittellinie zu finden. Nach dem ersten Schnitt, sezieren Sie das Gewebe, bis zwei Längsmuskeln (Sternohyoid und Sternomastoid) parallel zueinander laufen visualisiert werden. Verwenden Sie den Nackenmuskel (Masseter) als untere Grenze des Operationsfensters, zum Kopf hin. Trennen Sie die parallelen Muskeln, die zum Körper laufen, von einander, bis ein Muskel, der senkrecht zu diesen beiden läuft, visualisiert wird. Das Schneiden des senkrechten Muskels ermöglicht ein einfaches Zurückziehen der beiden parallelen Muskeln, wodurch die Halsschlagader freigelegt wird. Da die Anatomie von jedem Tier leicht variieren kann, zusammen mit ihrer Positionierung, kann es einen kleinen arteriellen Zweig geben, der auf der ICA ruht. Dieser kleine Zweig kann zusammen mit dem ICA geklemmt werden; Wenn dieser kleine Zweig jedoch nicht geklemmt ist, sollte es keine Probleme bei der Durchführung des Verfahrens geben. Achten Sie außerdem darauf, den Vagusnerv sowohl von der ICA als auch vom CCA abzuseufe, bevor das Spannen und Absieren stattfindet. Es ist wichtig, an dieser Stelle sanft zu sein und Nervenschäden zu vermeiden. Wenn das Tier nach dem Anziehen einer Klemme zuckt, die eine Reaktion des Vagusnervs sein kann, der mit der Metallklemme in Berührung kommt; erwägen, die Klemme nachzujustieren.

Der wohl schwierigste Schritt des gesamten Verfahrens ist die Herstellung der Arteriotomie. Dies liegt daran, dass es möglich ist, eine "falsche" Arteriotomie zu machen, und das Einfügen eines Ballons durch diese "falsche" Arteriotomie wird dazu führen, dass der Ballon tatsächlich über die Arterie läuft und nicht innerhalb der Arterie. Wenn dies geschieht, dann eine neue Arteriotomie näher an die Bifurkation an der CCA ist eine mögliche Lösung, aber wenn der Ballon in die Arterie gezwungen wurde, dann kann die Operation nicht gerettet werden. Um eine "falsche" Arteriotomie (Abbildung 3) zu verhindern, sezieren Sie die adventliche Schicht an der ECA- und STA-Bifurkation mit feinen Zangen, bis das Erscheinungsbild deutlich roter ist als in den nahe gelegenen Regionen, und dieser Teil der Arterie scheint herauszuragen. Verwenden Sie anschließend die Mikroschere, um die Arteriotomie zu erstellen, indem Sie schnell einen Zinkder der Schere in den geräumten Bereich an der Bifurkation einlegen und dann schneiden. Nach der Arteriotomie, verwenden Sie die feinen Zangen, um die Öffnung der Arterie zu heben und schieben Sie den Ballon in das Lumen. Der Ballon sollte leicht durch die Arteriotomie und in die CCA gleiten. Je nach Positionierung der Ratte kann es hilfreich sein, den Ballon mit feinen Zangen in den CCA zu führen, um an der Außenseite des CCA sanft nach oben zu ziehen, während der Ballonkatheter in den CCA geleitet wird. Nachdem der Ballon in den CCA eingesetzt wurde, kleben Sie den Katheter nach unten, damit der Ballon die Arterie nicht verlässt, da er aufgeblasen wird.

Periadventitial Anwendung der therapeutischen ermöglicht für lokale und gerichtete Medikamentenabgabe nur an der Stelle der Verletzung. Dieser Ansatz begrenzt potenzielle Off-Target-Effekte sowie Dosiereinschränkungen im Vergleich zu etwas, das systemisch durch orale, intraperitoneale oder intravenöse Verabreichungen geliefert wird. Pluronic-F127 ist thermoreversibel, d.h. es ist bei kalter Temperatur flüssig und Gele bei Raumtemperatur. Dadurch kann das Therapeutika in einer flüssigen Lösung vor den Pluronic Gelen leicht zubereitet werden, während das Gel unmittelbar nach einer Verletzung gleichmäßig auf die Arterie aufgetragen werden kann. Während die Oberseite des CCA leicht zugänglich ist, um effektiv den gesamten Verletzungsbereich abzudecken, sollte der CCA sanft angehoben werden, um den unteren Teil des CCA zu beschichten. Die Forscher müssen jedoch sicherstellen, dass die Studie entsprechend durchgeführt wird, um mögliche Schwankungen zwischen behandelten Tieren zu berücksichtigen. Es ist wichtig, eine Schätzung der erwarteten Effektgröße und der Standardabweichung des Ergebnisses zu haben, um die Studie angemessen zu versorgen. Die Einschränkung der periadventitialen Methode der Entbindung ist, dass es sich nicht um einen klinisch relevanten Ansatz handelt, da die Arterie eines Patienten während einer Angioplastie, die als perkutanes Verfahren durchgeführt wird, nicht exponiert wird. Dennoch ermöglicht die periadventitelle Anwendung die Vorprüfung von Molekülen und Biologika, die lokal an den Ort der Verletzung15,27,28,29,30geliefert werden.

Die aktuelle Standardmethode zur Quantifizierung der neointimalen Hyperplasie basiert auf der morphometrischen Analyse von H&E-Gefärbten Dias. Die verletzte Halsschlagader wird physisch in 5-m-Scheiben auf Dias geschnitten. Diese Dias werden dann mit H&E befleckt und die Bilder werden mit einem Lichtmikroskop aufgenommen. ImageJ-Software wird dann verwendet, um die Bereiche und Umrperimeter zu messen, die durch die Intima, die interne Lamina und die externe Lamina begrenzt sind. Obwohl wir berichtet haben, dass die Genauigkeit mit 10 Folien zur Quantifizierung der Hyperplasie19erhöht wurde, gibt es in der Literatur keinen Konsens darüber, wie viele Folien zu messen sind, wobei die gemeldete Methodik von 3 bis 10 gleichmäßig verteilten Abschnitten variiert (Tabelle 1)31,32,33,34,35,36. Mit dieser Methode ist ein I:M-Verhältnis von 0,8 mit einer Standardabweichung von 0,29 (n=11) zu erwarten (Bereich: 0,54-1,51). Wir und andere haben bereits berichtet, Lichtbogenfluoreszenzmikroskopie (LSFM) bietet einen neuartigen Ansatz zur Visualisierung der arteriellen Verletzung19,37. LSFM ermöglicht die Abbildung der gesamten Halsschlagader in der x-, y- und z-Ebene. LSFM ermöglicht optisches Schneiden, um arterielle Querschnitte für die Analyse zu erzeugen, was genauere Schätzungen der Hyperplasie liefert (Variationskoeffizient: 28% durch LSFM vs 41% durch Histologie) als herkömmliche histologische Ansätze19,37. Wie in Abbildung 4dargestellt, ist das von LSFM ermittelte I:M-Verhältnis (0,86, n=1) mit den Ergebnissen vergleichbar, die wir durch klassische histologische Analyse (0,8 ± 0,29) erzielt haben.

Zusammenfassend lässt die druckgesteuerte segmentale Verletzung die arterielle Verletzungsreaktion rekapitulieren, die nach klinischen Revaskularisationsverfahren auftritt, was sie zu einem idealen Modell für die Untersuchung der Pathophysiologie der Restaunose macht. Periadventitial-Arzneimittelanwendung ist eine nützliche Proof-of-Concept-Verabreichungsmethode, um die therapeutische Wirksamkeit der lokalen Arzneimittelabgabe zu verbessern, und kann die Entwicklung gezielter systemischer Arzneimittelabgabeansätze informieren.

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Disclosures

Die Autoren erklären, dass es keine Interessenkonflikte in Bezug auf die Veröffentlichung dieses Manuskripts gibt.

Acknowledgments

N.E.B. wurde durch ein Ausbildungsstipendium des National Institute of Environmental Health Sciences (5T32ES007126-35, 2018) und ein Vordoktorandenstipendium der American Heart Association (20PRE35120321) unterstützt. E.S.M.B. war ein KL2-Stipendiat, der teilweise vom UNC Clinical and Translational Science Award-K12 Scholars Program (KL2TR002490, 2018) und dem National Heart, Lung and Blood Institute (K01HL145354) unterstützt wurde. Die Autoren danken Dr. Pablo Ariel vom UNC Microscopy Services Laboratory für die Unterstützung bei LSFM. Die Lichtbogenfluoreszenzmikroskopie wurde im Mikroskopie-Service-Labor durchgeführt. Das Mikroskopie-Services-Labor, Abteilung für Pathologie und Labormedizin, wird zum Teil durch P30 CA016086 Cancer Center Core Support Grant für das UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center unterstützt.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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Buglak, N. E., Bahnson, E. S. M. A Rat Carotid Artery Pressure-Controlled Segmental Balloon Injury with Periadventitial Therapeutic Application. J. Vis. Exp. (161), e60473, doi:10.3791/60473 (2020).

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