Summary

Forværring af myokardieiskæmi ved eksponering for partikler i aterosklerose dyremodel

Published: December 10, 2021
doi:

Summary

Denne protokol beskriver en sammensat dyremodel med eksponering for partikler (PM), der forværrer myokardieiskæmi med aterosklerose.

Abstract

De sundhedsmæssige problemer forårsaget af luftforurening (især partikelforurening) får mere og mere opmærksomhed, især blandt patienter med hjerte-kar-sygdomme, hvilket forværrer komplicerede lidelser og forårsager dårlig prognose. Den enkle myokardieiskæmi (MI) eller partikler (PM) eksponeringsmodel er uegnet til sådanne undersøgelser af sygdomme med flere årsager. Her er en metode til konstruktion af en sammensat model, der kombinerer PM-eksponering, aterosklerose og myokardieiskæmi, blevet beskrevet. ApoE−/− mus blev fodret med en fedtrig kost i 16 uger for at udvikle aterosklerose, trakealinstillation af PM-standardsuspension blev udført for at simulere lungeeksponeringen af PM, og den venstre forreste faldende kranspulsåre blev ligeret en uge efter den sidste eksponering. Trakeal instillation af PM kan simulere akut lungeeksponering og samtidig reducere omkostningerne ved eksperimentet betydeligt; Den klassiske venstre forreste faldende arterieligation med ikke-invasiv trakealintubation og en ny hjælpeudvidelsesanordning kan sikre dyrets overlevelsesrate og reducere vanskeligheden ved operationen. Denne dyremodel kan med rimelighed simulere patientens patologiske ændringer af myokardieinfarkt forværret af luftforurening og give en reference til konstruktion af dyremodeller relateret til undersøgelser, der involverer sygdomme med flere årsager.

Introduction

Luftforurening har været forbundet med høj dødelighed af alle årsager og bidraget med en betydelig sygdomsbyrde mere end summen af vandforurening, jordforurening og erhvervsmæssig eksponering1. En rapport fra WHO afslørede, at udendørs luftforurening forårsagede 4,2 millioner for tidlige dødsfald i både byer og landdistrikter verden over i 20162. 91% af mennesker verden over bor på steder, hvor luftkvaliteten overstiger WHO’s vejledende grænser2. Endvidere anerkendes de fine partikler (PM) (≤2,5 μm i diameter, PM2,5) som den mest betydningsfulde luftforureningstrussel mod den globale folkesundhed3, især for de mennesker, der bor i byer i lavindkomst- og mellemindkomstlande.

De negative virkninger af luftforurening på hjerte-kar-sygdomme fortjener mere opmærksomhed. Tidligere undersøgelser har vist, at PM fører til en øget risiko for hjerte-kar-sygdomme (CVD’er)4. Eksponering for høje koncentrationer af ultrafine partikler i flere timer kan føre til øget myokardieinfarktdødelighed. For personer med en historie med myokardieinfarkt kan eksponering for ultrafine partikler øge risikoen for gentagelse 5betydeligt. Desuden er det almindeligt accepteret, at PM-eksponering fremskynder udviklingen af aterosklerose6.

Til medicinsk forskning er det afgørende at vælge en passende dyremodel. Simple aterosklerose dyremodeller7, myokardieiskæmi dyremodeller8 og PM-eksponering dyremodeller9 findes allerede. ApoE−/− (apolipoprotein E slået ud) mus er en traditionel musemodel, der anvendes i aterosklerosestudier. Evnen til at fjerne plasmalipoproteiner i ApoE−/− mus er alvorligt svækket. Den fedtfattige diætfodring ville forårsage alvorlig aterosklerose, der ligner diætafhængigheden af aterosklerotisk hjertesygdom observeret hos mennesker7. Ligering af den venstre forreste faldende kranspulsåre (LAD) er en klassisk metode til at inducere den iskæmiske hændelse 8,10. Trakeal infusion er blevet brugt i mange undersøgelser og skiller sig ud fra eksponeringsmodeller11,12 på grund af dens bedre simulering og lavere omkostninger.

Imidlertid har dyremodeller af enkelt sygdom betydelige begrænsninger i videnskabelig forskning. Den myokardieiskæmi, der kun induceres af LAD-ligering, simuleres ikke i den aktuelle situation. I den naturlige tilstand er myokardieiskæmi normalt forårsaget af plaquebrud og blokerede koronararterier13. Patienter med iskæmisk kardiomyopati har normalt aterosklerotiske grundlæggende læsioner13. Der er også unormal lipidmetabolisme og inflammatoriske reaktioner i kroppen14. Derfor har iskæmi forårsaget af fysiske faktorer eller under naturlige forhold forskellige patologiske manifestationer. Eksisterende undersøgelser har vist, at infarkt og betændelse i myokardieiskæmimodeller med aterosklerose er mere alvorlige15,16. PM-eksponering kan forværre aterosklerose og myokardieiskæmi yderligere ved at fremkalde betændelse og oxidativ stress1. Tre faktorer eksisterer normalt sammen i den naturlige tilstand, så den faktiske situation kunne simuleres bedre ved hjælp af en sammensat model.

Denne protokol beskriver udvikling af en dyremodel af myokardieiskæmi (MI), der kombinerer aterosklerose (AS) og PM akut eksponering. ApoE−/− mus blev fodret med en fedtfattig kost for at fremkalde åreforkalkning. Lungeeksponering af PM blev efterlignet ved dryppende PM-suspension gennem luftrøret. Ligation af LAD hos mus blev brugt til at inducere myokardieiskæmi. Disse metoder blev kombineret og optimeret til at simulere sygdomstilstanden bedre og forbedre dyrenes overlevelsesrate. Der er ikke behov for nogen stor eksponeringsenhed eller gasbedøvelsesmaskine, hvilket gør eksperimentet let at udføre. Denne model kan bruges til at studere virkningen af PM-eksponering i luftforurening på aterosklerose og iskæmisk kardiomyopati og udføre forskning i nye lægemidler udviklet til behandling af sygdomme med sådanne komplekse faktorer.

Protocol

Alle dyreaktiviteter beskrevet her blev godkendt af dyreetisk komité ved Institute of Chinese Materia Medica, China Academy of Chinese Medical Sciences. Hanmus (C57BL/6 baggrund) på 6-8 uger blev brugt til undersøgelsen. 1. Eksperimentelt præparat Tilbered tribromethanolanæstetika (15 mg/ml): Opløs 0,75 g tribromoethanol i 1 ml tert-amylalkohol (se Materialetabel). Efter fuldstændig opløsning fortyndes det til 50 ml med sterilt sal…

Representative Results

Musene blev aflivet 24 timer efter kranspulsåreligationen, og blodet blev indsamlet efter bedøvelse. Mus blev bedøvet af tribromoethanol (i henhold til trin 3.2), og blodprøven blev indsamlet fra den retroorbitale sinus. Hjertet blev høstet, og graden af iskæmi blev undersøgt ved 2,3,5-Triphenyltetrazoliumchlorid (TTC) farvning (figur 1). Normalt væv bliver rødt, når TTC reagerer med succinatdehydrogenase, mens det iskæmiske væv forbliver blegt på grund af nedsa…

Discussion

Etableringen af en sammensat dyremodel er lidt anderledes end den enkelte MI-model. Opretholdelse af en høj overlevelsesrate er udfordrende i udviklingen af den sammensatte model. Sværhedsgraden af åreforkalkning hos ApoE−/− mus vil blive mere alvorlig med forlængelsen af fodringstiden med højt fedtindhold7, og musenes svaghed fører til øget dødelighed. Derfor er det nødvendigt løbende at overvåge musenes tilstand under forsøget og justere tiden for at fremkalde årefork…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne model blev udviklet med støtte fra National Natural Science Foundation of China (nr. 81673640, 81841001 og 81803814) og Kinas store nationale videnskabs- og teknologiprogram for innovativt lægemiddel (2017ZX09301012002 og 2017ZX09101002001-001-3).

Materials

2,2,2-Tribromoethanol Sigma-Aldrich T48402
75% alcohol disinfectant
Animal ventilator Shanghai Alcott Biotech ALC-V8S
Cotton swabs Sterile
Cotton swabs for babies Sterile , Approximately 3 mm in diameter
Culture Dish Corning 430597 150 mm x 25 mm
Diesel Particulate Matter National Institute of Standards Technology 1650b
Dissection board About 25 x 17 cm. The dissecting board can be replaced with a wooden board of the same size
High-fat diet for mice Prescription: egg yolk powder 10%, lard 10%, sterol 1%, maintenance feed 79%
Iodophor disinfectant
LED spotlight 5 V, 3 W,with hoses and clamps
Medical silk yarn ball Shanghai Medical Suture Needle Factory Co., Ltd. 0-0
Medical tape 3M 1527C-0
Micro Vascular Hemostatic Forceps Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory W40350
Needle Holders Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory JC32010
Normal saline
Ophthalmic Scissors Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory Y00040
Ophthalmic tweezer, 10cm, curved, with hooks Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory JD1080
Ophthalmic tweezer, 10cm, curved, with teeth Shanghai Medical Instruments (Group) Ltd., Corp. Surgical Instruments Factory JD1060
Pipet Tips Axygen T-200-Y-R-S 0-200 μL
Pipette eppendorf 3121000074 100 uL
Safety pin Approximately 4.5 cm in length , for making chest opening tools
Small Animal I.V. Cannulas Baayen healthcare suzhou BAAN-322025 I.V CATHETER 22FG x 25 MM
Suture needle with thread Shanghai Medical Suture Needle Factory Co., Ltd. 6-0,Nylon line
Suture needle with thread JinHuan Medical F503 5-0
Syringe 1 mL
Tert-amyl alcohol
Zoom-stereo microscope Mshot MZ62

References

  1. Al-Kindi, S. G., Brook, R. D., Biswal, S., Rajagopalan, S. Environmental determinants of cardiovascular disease: lessons learned from air pollution. Nature Reviews: Cardiology. 17 (10), 656-672 (2020).
  2. Ambient (outdoor) Air Pollution. WHO Available from: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor) (2021)
  3. Kim, K. H., Kabir, E., Kabir, S. A review on the human health impact of airborne particulate matter. Environment International. 74, 136-143 (2015).
  4. Rajagopalan, S., Al-Kindi, S. G., Brook, R. D. Air pollution and cardiovascular disease: JACC State-of-the-Art Review. Journal of the American College of Cardiology. 72 (17), 2054-2070 (2018).
  5. Wolf, K., et al. Associations between short-term exposure to particulate matter and ultrafine particles and myocardial infarction in Augsburg, Germany. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 218 (6), 535-542 (2015).
  6. Sun, Q., Hong, X., Wold, L. E. Cardiovascular effects of ambient particulate air pollution exposure. Circulation. 121 (25), 2755-2765 (2010).
  7. Emini Veseli, B., et al. Animal models of atherosclerosis. European Journal of Pharmacology. 816, 3-13 (2017).
  8. Reichert, K., et al. Murine Left anterior descending (LAD) coronary artery ligation: An improved and simplified model for myocardial infarction. Journal of Visualized Experiments. (122), e55353 (2017).
  9. Lei, J., et al. The acute effect of diesel exhaust particles and different fractions exposure on blood coagulation function in mice. International Journal of Environmental Research and Public Health. 18 (8), 4136 (2021).
  10. Gao, E., et al. A novel and efficient model of coronary artery ligation and myocardial infarction in the mouse. Circulation Research. 107 (12), 1445-1453 (2010).
  11. Pei, Y. H., et al. LncRNA PEAMIR inhibits apoptosis and inflammatory response in PM2.5 exposure aggravated myocardial ischemia/reperfusion injury as a competing endogenous RNA of miR-29b-3p. Nanotoxicology. 14 (5), 638-653 (2020).
  12. Jia, H., et al. PM2.5-induced pulmonary inflammation via activating of the NLRP3/caspase-1 signaling pathway. Environmental Toxicology. 36 (3), 298-307 (2021).
  13. Vogel, B., et al. ST-segment elevation myocardial infarction. Nature Reviews Disease Primers. 5 (1), 39 (2019).
  14. Libby, P. The changing landscape of atherosclerosis. Nature. 592 (7855), 524-533 (2021).
  15. Zhou, Z., et al. Excessive neutrophil extracellular trap formation aggravates acute myocardial infarction injury in Apolipoprotein E deficiency mice via the ROS-dependent pathway. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2019, 1209307 (2019).
  16. Pluijmert, N. J., Bart, C. I., Bax, W. H., Quax, P. H. A., Atsma, D. E. Effects on cardiac function, remodeling and inflammation following myocardial ischemia-reperfusion injury or unreperfused myocardial infarction in hypercholesterolemic APOE*3-Leiden mice. Scientific Reports. 10 (1), 16601 (2020).
  17. Centa, M., Ketelhuth, D. F. J., Malin, S., Gistera, A. Quantification of atherosclerosis in mice. Journal of Visualized Experiments. (148), e59828 (2019).
  18. Benedek, A., et al. Use of TTC staining for the evaluation of tissue injury in the early phases of reperfusion after focal cerebral ischemia in rats. Brain Research. 1116 (1), 159-165 (2006).
  19. Mehlem, A., Hagberg, C. E., Muhl, L., Eriksson, U., Falkevall, A. Imaging of neutral lipids by oil red O for analyzing the metabolic status in health and disease. Nature Protocols. 8 (6), 1149-1154 (2013).
  20. Nelson, A. M., Nolan, K. E., Davis, I. C. Repeated orotracheal intubation in mice. Journal of Visualized Experiments. (157), e60844 (2020).
  21. Zheng, Z., et al. Exposure to fine airborne particulate matters induces hepatic fibrosis in murine models. Journal of Hepatology. 63 (6), 1397-1404 (2015).
  22. Bai, N., van Eeden, S. F. Systemic and vascular effects of circulating diesel exhaust particulate matter. Inhalation Toxicology. 25 (13), 725-734 (2013).
  23. Furuyama, A., Kanno, S., Kobayashi, T., Hirano, S. Extrapulmonary translocation of intratracheally instilled fine and ultrafine particles via direct and alveolar macrophage-associated routes. Archives of Toxicology. 83 (5), 429-437 (2009).
  24. Brunekreef, B., Holgate, S. T. Air pollution and health. Lancet. 360 (9341), 1233-1242 (2002).

Play Video

Cite This Article
Yang, Y., Deng, S., Qu, S., Zhang, Y., Zheng, Z., Chen, L., Li, Y. Aggravation of Myocardial Ischemia upon Particulate Matter Exposure in Atherosclerosis Animal Model. J. Vis. Exp. (178), e63184, doi:10.3791/63184 (2021).

View Video