Summary
Detta protokoll beskriver en gemensam och genomförbar metod för att inducera akut leverskada (ALI) via CCl4 exponering genom en orogastric röret. CCl4 exponering inducerar ALI genom bildandet av reaktiva syrearter under dess biotransformation i levern. Denna metod används för att analysera patofysiologi ali och undersöka olika leverskyddande strategier.
Abstract
Akut leverskada (ALI) spelar en avgörande roll i utvecklingen av leversvikt, som kännetecknas av svår leverdysfunktion inklusive komplikationer såsom leverencefalopati och nedsatt proteinsyntes. Lämpliga djurmodeller är avgörande för att testa mekanismen och patofysiologi av ALI och undersöka olika leverskyddande strategier. På grund av dess förmåga att utföra kemiska transformationer används koltetraklorid (CCl4)ofta i levern för att inducera ALI genom bildandet av reaktiva syrearter. CCl4 exponering kan utföras intraperitoneally, genom inandning, eller genom en nasogastric eller orogastric röret. Här beskriver vi en gnagare modell, där ALI induceras av CCl4 exponering genom en orogastric röret. Denna metod är billig, lätt att utföra, och har minimal risk. Modellen är mycket reproducerbar och kan ofta användas för att bestämma effekten av potentiella leverskyddande strategier och bedöma markörer för leverskada.
Introduction
Frekvensen av giftiga förolämpningar mot levern, särskilt på grund av alkohol- och drogmissbruk, ökar. Akut leverskada (ALI) är förknippad med hög dödlighet och har orsakat kliniska problem1,2. Toxisk skada leder till död signalering vägar i levern, vilket resulterar i hepatocyte apoptos, nekros, eller pyroptos. ALI spelar en avgörande roll i utvecklingen av leversvikt, som kännetecknas av svår leverdysfunktion inklusive komplikationer såsom leverencefalopati och nedsatt proteinsyntes3,4. Även om ny forskning har ökat vår kunskap om de fysiologiska och patologiska förändringar som åtföljer lever misslyckande, har det inte helt förklarat patomolecular funktioner som påverkar mekanismerna för celldöd. Dessutom finns det för närvarande inga läkemedel för att vända den progressiva försämringen av ALI-patienter. För närvarande är den enda signifikant effektiv behandling levertransplantation5,6.
För att undersöka mekanismen och patofysiologin i ALI och för att testa olika leverskyddande strategier används olika djurmodeller för att inducera ALI. En bättre djurmodell av ALI bör efterlikna den patologiska processen av sjukdomen via en tillförlitlig, validerad, billig och lätt att tillämpa metod. Exempel på experimentella modeller är hepatotoxiska medel, kirurgiska ingrepp såsom fullständig eller partiell hepatectomy, fullständig eller övergående devascularization, och smittsamma förfaranden7,,8,9. Kända hepatotoxiska ämnen inkluderar galaktosamin, paracetamol, tioaanamid, azoxymetan och CCl4. Av dessa är CCl4 används i stor utsträckning även om det ännu inte har väl karakteriserats10,11,12,13.
CCl4 är en organisk färglös flytande förening med en söt lukt och nästan ingen brandfarlighet vid lägre temperaturer. Exponering för höga koncentrationer av CCl4 kan orsaka skador på centrala nervsystemet, inklusive försämring av lever och njurar. CCl4 inducerar ALI genom sin biotransformation i levern, som bildar reaktiva syrearter. Detta sker via P450 cytokromenzymet 2E1, som bildar en aktiv metabolit och resulterar i cellskador genom makromolekylbindning, förbättring av lipidperoxidation och störningar av intracellulär kalciumhomeostas14. Dessutom kan CCl4-modellen användas för att stimulera astrocyterna på RNA-syntesnivå15. Detta hepatotoxin har administrerats av intraperitoneal, intraportal, muntliga och intragastric rutter16.
I detta protokoll beskriver vi i detalj CCl4-induceradALI hos råttor via en orogastric röret. Denna metod inducerar robusta och reproducerbara ALI som kan användas för att undersöka patogenesen vid ALI. Bestämning av leversjukdom svårighetsgrad övervakas genom mätning av serum glutamat-pyruvat transaminase (GPT), glutamic oxaloacetic transaminase (GOT) enzymer och totala bilirubin (TB) samt slutgiltig histologiska diagnos av hematoxylin och eosin (H & E) färgade levervävnader. Exponering för CCl4 genom intragastrisk åtkomst möjliggör en praktisk, billig, minimalt invasiv metod med minimal riskrisk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Experimenten utfördes i enlighet med rekommendationerna i Förklaringarna från Helsingfors och Tokyo och i riktlinjerna för användning av försöksdjur i Europeiska gemenskapen. Experimenten godkändes av Animal Care Kommittén ben-Gurion University of the Negev.
OBS: CCl4-modellen har genererats och använts i en tidigare studie17. Protokollets tidslinje visas i tabell 1.
1. Förbereda råttor för försöksförfarandet
OBS: Välj vuxna hanråttor med Sprague Dawley som väger 300−350 g.
- Få godkännande för experiment från Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC).
- Håll råttorna i rumstemperatur (22 °C ± 1 °C), med 12 h ljus och 12 h mörka cykler. Ge råttsoppa och vatten ad libitum.
- Utför alla experiment mellan 06:00 och 12:00
- Raka råttan och desinficera huden med alkohol.
2. Bestämning av serum GOT, GPT och TB baslinjenivåer
- Anestesi
- Förbered ett kontinuerligt isofluranadministrationssystem för att framkalla anestesi. Se till att spridarsystemet är fyllt med isofluran.
- Söva råttan med 2% isofluran. Bekräfta att råttan är helt sövd genom att observera rörelsen och pedalreflexen som svar på yttre stimuli.
OBS: Använd 1−5% isofluran för anestesi induktion och underhåll.
- Kanylerulera svansvenen med en 22 G kateter.
- Samla ett blodprov på 0,5 ml vid baslinjen. Se till att den uppkomna blodvolymen inte överstiger IACUC:s riktlinjer.
- Utför blodbiokemisk analys inklusive mätningar av serum GOT, GPT och TB, som tidigare beskrivits18.
OBS: Undersökningar av leverenzymer och TB nivå utfördes i det biokemiska laboratoriet i Soroka Medical Center. Blodprover analyserades med hjälp av en fluorescensmetod på en kemianalysator (Tabell of Materials).
3. Induktion av akut leverskada hos råttor
VARNING: Exponering för höga koncentrationer av CCl4,inklusive absorption genom ånga eller hud, kan ha negativa effekter på centrala nervsystemet och orsaka degeneration av lever och njurar. Långvarig exponering kan orsaka koma eller död.
- Förbered en 50% lösning av CCl4 (Table of Materials) genom att blanda CCl4 med olivolja som ett fordon i ett 1:1-förhållande.
OBS: Lösningen bör beredas enligt IACUC:s riktlinjer för icke-farmaceutiska sorteringsföreningar. - Inducera levertoxicitet in vivo av CCl4 administration via en orogastric röret.
- Sätt in ett 16 G orogastriskt rör (3 tum djupt) genom råttans munhåla.
- Exponera råttan för olika doser av CCl4 genom att injicera en spruta med en av följande utspädda lösningar i råttans mage: 1 ml/kg (mild ALI), 2,5 ml/kg (måttligT ALI) eller 5 ml/kg (svår ALI) av 50%-lösningen. För den simulerade kontrollgruppen, exponera råttan till 5 ml/kg olivolja endast.
4. Bestämning av serum GOT, GPT och TB nivåer efter 24 h
- Anestesi
- Förbered ett kontinuerligt isofluranadministrationssystem för att framkalla anestesi. Se till att spridarsystemet är fyllt med isofluran.
- Söva råttorna med 2% isofluran. Bekräfta att råttan är helt sövd genom att observera rörelsen och pedalreflexen som svar på yttre stimuli.
- Samla blodprov vid 24 timmar från CCl4 exponering.
- Utför blodbiokemisk analys inklusive mätningar av serum GOT, GPT och TB.
5. Leversamling för histologisk undersökning
- Avliva råttan genom att ersätta den inspirerade gasblandningen med 20% O2/80% CO2. Se till att CO2 levereras i förutbestämd hastighet i enlighet med IACUC:s riktlinjer.
- Säkerställa dödsfall genom att kontrollera om det saknas hjärtslag och bekräfta med hjälp av en sekundär metod i enlighet med IACUC:s riktlinjer.
- Placera råttan på en dissekeringsbräda med sin dorsala yta vänd nedåt och buken uppåt. Raka råttans buk.
- Med en skalpell, incise hela längden av ventrum huden från anus till hakan. Separera huden. Incise bukväggen med en skalpell från anus till xyphoid brosk, utsätta buken inälvor.
- Med hjälp av sax och pincett, isolera levern genom att dissekera den från dess ligament och bilagor. Börja vid levern hilum, noggrant utföra en hepatectomy genom att släppa alla leverlober från bilagor. Dissekera och skär bort alla ligament och blodkärl.
- Överför levern till en petriskål. Fixera levern i en 4% buffrad formaldehydlösning (Tabell över material) i minst 24 timmar.
6. Histologiska undersökning
- Provberedning
- Skär provet i 5 μm tjock skiva efter fixering.
- Placera försiktigt skivorna på glasrutschbanor med en mjuk borste, 1 skiva per rutschkana.
- Utför H&E-färgning enligt tidigare beskrivna19.
- Undersök skivorna under ett mikroskop vid 200x förstoring med en 20 mm objektiv lins (Tabell över material).
OBS: Leversektionerna ska graderas av en specialiserad patolog som är förblindad av behandlingsprotokollet. Ställningen 0 tyder inte på några leveravvikelser, 1–2 indikerar lindrig leverskada, 3–4 indikerar måttlig leverskada och 5–6 indikerar allvarlig leverskada20,,21,22.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tb- och GOT- och GPT-nivåerna ökade signifikant med 24 timmar efter att ali (mer vid högre CCl4-doser) jämfört med simulerade kontroller (p < 0,001) (figur 1). Nivåerna av tbc, GOT och GPT vid baslinjen var normala och var inte signifikant annorlunda än simulerade kontroller. Vid 24 timmar, alla tre interventionella grupper, 1 mL/kg CCl4 (1, 1−2), 2,5 ml/kg CCl4 (3, 3−4) och 5 ml/kg CCl4 (4, 4−5,75), hade en betydligt högre histologiska betyg än den simulerade kontrollgruppen (0, 0−0) (p < 0,05, data som presenterades som median, 25−75% intervall). H&E-bilderna av en simulerad kontroll (figur 2A) och grupper som exponeras för olika CCl4-doser (figur 2B−D) visar histopatologiska förändringar 24 h efter CCl4-exponering. Störningar av hepatocellular arkitektur av CCl4 visades av en hög grad av vävnad skada med stora fibrösa septa deformation, förlängning av fibrer, kollagen ackumulering, och pseudo lobe separation i lever sektioner (Figur 2).
Figur 1: Serum TB (A), GOT (B) och GPT (C) i blodprov 24 timmar efter exponering för olika CCl4 doser jämfört med simulerade kontroller. Blå stapel: kontroll; röd stapel: 24 h efter CCl4 exponering. Betydelsen av jämförelser mellan CCl4-exponerade råttor och oexponerade råttor bestäms med hjälp av Mann-Whitney-testet. Ett p-värde på <0,05 ansågs vara betydande. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Histopatologiska förändringar i levervävnad färgas med H & E efter 24 h CCl4 förgiftning i olika doser. A)skenmanövrerad kontroll, (B) 1 ml/kg CCl4,(C)2,5 ml/kg CCl4och(D)5 ml/kg CCl4. Skalstång = 50 μm. Fördelningen av de histologiska resultaten förutspåddes av linjär regression. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Grupper | 0 timmar | 24 timmar |
| Sham (15 råttor) | GOT, GPT, TB baslinjenivå | GOT, GPT, TB-nivå |
| Mild ALI (15 råttor) | ||
| Måttlig ALI (15 råttor) | CCl4 exponering för ALI grupper och olivolja för bluff grupp | Histologisk undersökning |
| Svår ALI (18 råttor) |
Tabell 1: Demonstration av protokollets tidslinje. De olika grupperna av råttor vid olika tidpunkter inkluderar en simulerad kontrollgrupp, mild ALI (exponering för 1 ml/kg CCl4),måttlig ALI (exponering för 2,5 ml/kg CCl4)och svår ALI (exponering för 5 ml/kg CCl4). Vid tidpunkten 24 h mättes serum GOT, GPT och TB nivåer och histologiska undersökningen utfördes för alla fyra grupperna.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I detta protokoll, CCl4 används som en lever toxin för att inducera ALI hos råttor. ALI kännetecknas av förlust av leverparenkym och efterföljande dysregulation av leverns metaboliska och syntetiska funktioner. Läkemedel, virus, toxiner, autoimmuna sjukdomar, metabola sjukdomar och kärlsjukdomar framkallar hepatocytedöd, och det efterföljande inflammatoriska svaret bidrar till patogenesen vid ALI.
Den första förolämpningen mot levern leder till cytokinproduktion, chemokine release, och efterföljande infiltration av inflammatoriska celler i levern. Tre av de vanliga testade biomarkörerna för ALI-utvärdering är GPT-, GOT- och TB-nivåer. GPT och GOT är enzymer som mäts efter aktivitetsnivå medan TB-nivå mäter leverfunktionen genom serumkoncentration. När förhöjda, serum enzym aktivitetsnivåer betecknar skada på hepatocyter eller cholangiocytes23. Snabb spektrofotometrisk metod rapporterades först i arbetet med Arthur Karmen i 195524, som möjliggjorde den utbredda kliniska tillämpningen av serum enzym mätning. Sedan dess har GOT och GPT mätningar också tillämpats för att upptäcka hepatocyte skada. GPT används oftare, och samtidig GPT-testning avslöjar vanligtvis överflödiga resultat. Ökningen av aktivitetsnivåerna för GOT och GPT mellan frisättningshastigheterna och clearancefrekvensen från skadade celler kan användas för att mäta ungefär skadefrekvensen för cellerna. När de skadade levercellerna orsakar levern att misslyckas i sin normala verksamhet, såsom bearbetning och ta bort bilirubin som galla, detta tyder på att ALI är allvarligare.
Det finns flera steg i protokollet som är kritiska och förtjänar noggrant övervägande. De flesta protokoll kräver serum biomarkör testning före och efter exponering för undersökande agent, som förhöjningar i serum enzym koncentrationsnivåer är vanliga. På grund av fluktuationer i tidpunkten för förhöjd ALT bör dock flera tester utföras regelbundet för att upptäcka någon höjd. I detta protokoll valde vi att testa GOT, GPT och TB nivåer vid baslinjen och 24 h efter exponering för toxinet. Enligt nyligen genomförda studier korrelerade nivåerna av dessa biomarkörer väl med svårighetsgraden av ALI under detta tidsintervall17. Som visas i figur 1, nivåer av blod GOT, GPT och TB var förhöjda i alla prover 24 h efter inducerande ALI. Detta indikerar att modellen har kvantifierat utfall i ett mycket kort tidsintervall sedan exponeringen för CCl4. Man bör ta hänsyn till att i svår ALI levern förlorar sin förmåga att syntetisera GOT och GPT. Därför, i dessa fall dessa enzymer kan sakna deras prediktiva värde som visas i litteraturen.
Histologiska fynd av råttor som exponeras för CCl4 kännetecknas av ballongflygning av celler, centrilobular nekros och förekomsten av councilman organ25. I denna modell fanns det omfattande skador som visat sig vara proportionella mot dosen av CCl4 administreras.
Denna metod för att inducera ALI via orogastric CCl4 exponering har många fördelar. Det är enkelt, billigt och med minimal riskrisk. Protokollet ger betydande resultat i ett mycket kort tidsintervall. Modellen är mycket reproducerbar och kan ofta användas för att bestämma effekten av potentiella leverskyddande strategier och bedöma markörer för leverskada.
Det är viktigt att notera att CCl4 främst påverkar den centrala zonen i levern, som inte matchar den massiva nekros som vanligtvis ses i leversvikt hos människa. Dessutom, CCl4 är inte helt metaboliseras i levern, och några av de nonmetabolized CCl4 kan skada andra organ, inklusive lungor och njurar16. Dessutom, på grund av olika nivåer av cytokrom P450 utveckling och effekt, det finns en stor variation i känslighet beroende på art ochålder 26. Trots dessa begränsningar fungerar metoden för orogastrisk CCl4 -induceradALI fortfarande som en värdefull gnagare modell.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Författarna erkänner tacksamt Bertha Delgado, Institutionen för patologi, Soroka Medical Center, Fakulteten för hälsovetenskap, Ben-Gurion University of the Negev, för hennes hjälp i laboratoriet samt i histologi analys.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 22 G catheter BD Neoflon TM | Becton Dickinson Infusion Therapy AB | ||
| 4% buffered formaldehyde solution | Sigma - Aldrich lab materials technologies | ||
| BD Microtainer SST TM Tubes | Becton Dickinson and Company | ||
| Carbone tetrachloride | Sigma - Aldrich lab materials technologies | CAS 56-23-5 | |
| Isofluran, USP 100% | Piramamal Critical Care, Inc | ||
| Olympus AU2700 Chemistry-Immuno Analyzer | Olympus (MN, USA) | Analysis of blood samples was done by the fluorescence method | |
| Olympus BX 40 microscope | Olympus | ||
| RAT Feeding Needles | ORCHID SCIENTIFICS | ||
| SYRINGE SET 1 and 2 ml MEDI -PLUS | Shandong Zibo Shanchuan Medical Instruments Co., Ltd |
References
- Hoofnagle, J. H., Carithers, R. L., Shapiro, C., Ascher, N. Fulminant hepatic failure: Summary of a workshop. Hepatology. 21 (1), 240-252 (1995).
- Rakela, J., Lange, S. M., Ludwig, J., Baldus, W. P. Fulminant hepatitis: Mayo clinic experience with 34 cases. Mayo Clinic Proceedings. 60 (5), 289-292 (1985).
- Riordan, S. M., Williams, R. Treatment of hepatic encephalopathy. New England Journal of Medicine. 337, 473-479 (1997).
- Bernuau, J., Rueff, B., Benhamou, J. Fulminant and subfulminant liver failure: Definitions and causes. Seminars in Liver Disease. 6 (2), 97-106 (1986).
- Lidofsky, S. D. Liver transplantation for fulminant hepatic failure. Gastroenterology Clinics of North America. 22 (2), 257-269 (1993).
- Auzinger, G., Wendon, J. Intensive care management of acute liver failure. Current opinion in critical care. 14 (2), 179-188 (2008).
- Wu, Q., et al. Protection of regenerating liver after partial hepatectomy from carbon tetrachloride hepatotoxicity in rats: Roles of mitochondrial uncoupling protein 2 and ATP stores. Digestive Diseases and Sciences. 54 (9), 1918-1925 (2009).
- Tuñón, M. J., Alvarez, M., Culebras, J. M., González-Gallego, J. An overview of animal models for investigating the pathogenesis and therapeutic strategies in acute hepatic failure. World Journal of Gastroenterologyl. 15 (25), 3086-3098 (2009).
- van de Kerkhove, M. P., Hoekstra, R., van Gulik, T. M., Chamuleau, R. A. Large animal models of fulminant hepatic failure in artificial and bioartificial liver support research. Biomaterials. 25 (9), 1613-1625 (2004).
- Butterworth, R. F., et al. Experimental models of hepatic encephalopathy: ISHEN guidelines. Liver International. 29 (6), 783-788 (2009).
- Zhang, B., Gong, D., Mei, M. Protection of regenerating liver after partial hepatectomy from carbon tetrachloride hepatotoxicity in rats: Role of hepatic stimulator substance. Journal of Gastroenterology and Hepatology. 14 (10), 1010-1017 (1999).
- Ugazio, G., Danni, O., Milillo, P., Burdino, E., Congiu, A. M. Mechanism of protection against carbon tetrachloride toxicity. I. prevention of lethal effects by partial surgical hepatectomy. Drug and Chemical Toxicology. 5 (2), 115-124 (1982).
- Taniguchi, M., Takeuchi, T., Nakatsuka, R., Watanabe, T., Sato, K. Molecular process in acute liver injury and regeneration induced by carbon tetrachloride. Life Science. 75 (13), 1539-1549 (2004).
- Gordis, E. Lipid metabolites of carbon tetrachloride. Journal of Clinical Investigation. 48 (1), 203-209 (1969).
- Albrecht, J. Cerebral RNA synthesis in experimental hepatogenic encephalopathy. Journal of Neuroscience Research. 6 (4), 553-558 (1981).
- Terblanche, J., Hickman, R. Animal models of fulminant hepatic failure. Digestive Diseases and Sciences. 36 (6), 770-774 (1991).
- Gruenbaum, B. F., et al. Cell-free DNA as a potential marker to predict carbon tetrachloride-induced acute liver injury in rats. Hepatology International. 7 (2), 721-727 (2013).
- Juricek, J., et al. Analytical evaluation of the clinical chemistry analyzer Olympus AU2700 plus. Biochemia Medica. 20 (3), 334-340 (2010).
- Feldman, A. T., Wolfe, D. Tissue processing and hematoxylin and eosin staining. Methods in Molecular Biology. 1180, 31-43 (2014).
- Wang, T., et al. Protective effects of dehydrocavidine on carbon tetrachloride-induced acute hepatotoxicity in rats. Journal of Ethnopharmacology. 117 (2), 300-308 (2008).
- Ye, X., et al. Hepatoprotective effects of coptidis rhizoma aqueous extract on carbon tetrachloride-induced acute liver hepatotoxicity in rats. Journal of Ethnopharmacology. 124 (1), 130-136 (2009).
- Wills, P. J., Asha, V. V. Protective effect of lygodium flexuosum (L.) sw. extract against carbon tetrachloride-induced acute liver injury in rats. Journal of Ethnopharmacology. 108 (3), 320-326 (2006).
- Senior, J. R. Monitoring for hepatotoxicity: What is the predictive value of liver "function" tests. Clinical Pharmacology & Therapeutics. 85 (3), 331-334 (2009).
- Karmen, A. A note on the spectrometric assay of glutamic-oxalacetic transaminase in human blood serum. Journal of Clinical Investigation. 34 (1), 131-133 (1955).
- Hubner, G. Ultrastructural liver damage caused by direct action of carbon tetrachloride in vivo and in vitro. Virchows Archiv fur Pathologische Anatomie und Physiologie und fur Klinische Medizin. 339 (3), 187-197 (1965).
- Newsome, P. N., Plevris, J. N., Nelson, L. J., Hayes, P. C. Animal models of fulminant hepatic failure: A critical evaluation. Liver Transplantation. 6 (1), 21-31 (2000).
