心筋虚血および再灌流傷害の改善されたげっ歯類モデル

Summary

ラット心臓の心筋虚血再灌流モデルは、自作リトラクター、ポリ塩化ビニルチューブ、および独自の結び目法を使用することによって改善される。心電図、トリフェニルテトラゾリウムクロリドおよび組織学的染色、ならびに生存率分析の結果は、改善されたモデル群が既存のモデル群よりも高い成功率および生存率を有することを示した。

Abstract

冠状動脈性心疾患(CHD)によって誘発される心筋虚血および再灌流傷害(MIRI)は、心筋細胞に損傷を引き起こす。さらに、血栓溶解療法または一次経皮的冠動脈インターベンション(PPCI)は再灌流傷害を予防しないことを示唆する証拠がある。MIRIに理想的な動物モデルはまだありません。この研究は、ラットのMIRIモデルを改善し、手術をより簡単かつ実現可能にすることを目的としています。MIRIを確立するためのユニークな方法は、虚血期の重要なステップの間に柔らかいチューブを使用することによって開発されています。この方法を探索するために、30匹のラットを無作為に3つの群に分けた:偽群(n = 10);実験モデル群(n=10);既存のモデルグループ(n = 10)を持つ。トリフェニルテトラゾリウムクロリド染色、心電図、および生存率の所見を比較して、手術の精度および生存率を決定する。研究結果から、手術方法の改善は、生存率の上昇、ST-Tセグメントの上昇、梗塞サイズの拡大と関連していると結論付けられており、MIRIの病態をよりよく模倣することが期待されています。

Introduction

虚血性心疾患は、世界中で主要な死亡原因である。心血管死亡率は、世界の公衆衛生および疫学において重要な役割を果たしています¹。心筋虚血および再灌流傷害は、アデノシン三リン酸²の枯渇、活性酸素種の過剰生成³、炎症反応⁴、およびカルシウム過負荷⁵によるミトコンドリア機能障害を含む複雑な病態生理学的プロセスを指す虚血性心疾患において不可欠な機能を果たし、代謝機能障害および構造障害⁶を介して急性心筋梗塞を引き起こす。

しかし、心筋虚血および再灌流傷害(MIRI)の根底にある詳細なメカニズムは不明のままである。本研究は、MIRIの臨床症状と治療を適切にシミュレートするユニークな動物モデルを開発することを目的とする。さもなければ、^MIRIモデル研究の過程で、大型動物7(ブタなど)は介入手術を必要とし、これは高価である。小動物(ウサギ⁸、マウス⁹、10、¹¹、12、ラット13など)は^、顕微鏡¹⁰、遠隔操作の嚢⁸、¹¹、または空洞⁹から心臓を圧迫する繊細な手術を必要とし、これは高いレベルの技術を必要とし、所見の精度を乱すいくつかの術後合併症を引き起こす可能性がある。より高い生存率と低コストの理想的なMIRIモデルは、病理学的研究において重要な役割を果たします。

本研究は、MIRIの病態に関する研究を容易にし、MIRIの臨床治療法の発見につながる可能性のあるラットにおけるMIRIのよりアクセスしやすく実現可能なモデルを確立することによって、これらの問題と闘うことを目的としていた。

Protocol

この研究は、南京漢方医科大学の動物ケアおよび使用委員会によって承認されました(許可番号202004A002)。この研究は、実験動物の使用に関する国立衛生研究所(NIH)のガイドライン(NIH出版第85-23号、2011年改訂)に厳密に従った。30匹の雄のSprague-Dawleyラット(体重、300±50g;年齢、12±14週間)をこの研究に使用した。

1. 動物の準備

1. 手術前にラットに食物と水を奪う12時間。術前断食は肺吸引を防ぐことを目的とした¹⁴。
2. 手術前に高圧蒸気滅菌器を使用してすべての器具を滅菌してください。
3. 腹腔内注射でペントバルビタールナトリウム(1.5%、75mg/kg) を 投与してラットを麻酔する( 材料表参照)。
4. ピンチトゥテストを実行して麻酔の有効性を評価します。
   注:ラットは、後足をピンセットで保持したときに反射が観察されない場合、十分に麻酔をかけられたとみなされます。
5. 2 つのペーパークリップの中央部分をまっすぐにして、「S」シェイプにします。各「S」の広い部分をプルダウンして、小さなリトラクターを形成します。
6. 直径2mmのポリ塩化ビニル(PVC)チューブを7mmの長さに切断します。長さ10cmの4-0縫合糸をPVCチューブに挿入し、その両端を結ぶ。
7. 左前下降(LAD)冠状動脈とPVCチューブを6-0縫合糸を用いて一緒にリゲートする。眼科用はさみでPVCチューブの中央にある溝を切り、溝を使って6-0縫合糸をチューブに通し、脱落を防ぎます。
   メモ:PVCチューブと「S」形状リトラクターは、 補足図1に示されています。

2. 手術手順

1. 以下の手順に従って、改良されたMIRIラットモデルを生成するための手術を行う。
   注:改良されたMIRI法によって生成された動物モデル群は、記事全体を通して実験モデル群と呼ばれる。
   1. 麻酔後(ステップ1.2)、ラットを手術ボード上に仰臥位で配置して、ラットの四肢をテープで固定する。首と左前胸部を脱毛クリームで剃り、アルコール75%とヨードフォアスクラブで皮膚をきれいにします。
   2. 眼科用はさみを使用して、中央の子宮頸部線に沿って首の皮膚を縦に切断する。
   3. 眼科用ピンセットで首筋を分離し、両側にリトラクター(ステップ1.4)を置いてさらに引っ込めます。
      注:このステップ中に甲状腺からの出血を防ぐために重要であるため、気管を適切に露出させる必要があります。
   4. 気管を露出させた後、第4気管輪と第5気管輪の間の空間を特定する。このスペースが穿刺ポイントです。
   5. 針先の鈍い縁を使ってこの点に印を付けます。この時点でクリコイド軟骨に平行に3mmの切開を行う。
   6. 切開部を介して吸引トロカール(材料表を参照)を気管に挿入し(ステップ2.1.5)、ラットを機械的に換気して、80呼吸/分の速度および8mL/kgの一回換気量で正常な呼吸を維持する。
   7. 次に、メスを45°の角度で保持しながら、剣状突起から2番目の左肋間腔の中央まで4〜5cmの切開を行う。穏やかかつゆっくりと、眼科用ピンセットを使用して大胸筋と鞘状前筋を分離し、肋間腔にアクセスする。
   8. 眼科用はさみを使用して、左の第3肋骨と第4肋骨の間を横方向に1.5cm切開する。
   9. 必要に応じて、左肺で覆われた心臓を露出させるために第4の肋骨を切り取ります。これにより、視認性が向上します。
   10. 怪我を防ぐために、生理食塩水に浸した綿球を胸腔内の肺の上に置きます。眼用ピンセットを用いて心膜を解剖し、ピンセットで左心房付属器を持ち上げ、大動脈の根元に存在する冠状動脈骨を同定する。
   11. 左肺と耳介の間の部分で、6-0の外科用縫合糸を用いてLADと予め準備された短いチューブ(ステップ1.6)を結紮し、スリップノットを用いて結ぶ。PVCチューブの溝にスリップノットを置き、第2のスリップノットを用いてライゲーションチューブとLADを45分間締め付けます(図1A、B)。
   12. 虚血期間中の左心室の前部の色の変化とSTセグメントの隆起を心電図(ECG)に記録する。
       注:左心室の前部は虚血期間中に薄くなる。
   13. 動脈クリップを使用して胸筋と皮膚を締め付け、湿った生理食塩水ガーゼで傷口を覆います。
   14. スリップノットを緩め、45分15後に予め用意したショートチューブを^{取り外した(}図1C)。
   15. ラットを再灌流中に麻酔をかけたまま2時間。
2. 以前に公開された手順¹⁶に従ってラットモデルを生成する手術を行う。
   注:この動物モデルグループは、記事全体を通して既存のモデルグループと呼ばれています。
   1. LAD冠状動脈の結紮前に、実験モデル群と同様の工程を行う。
   2. 虚血期間中、実験モデル群と同じ位置に6-0の外科的縫合糸のみを用いて、各ラットの近位LAD冠状動脈をスリップノットで結紮し、スリップノットを45分間結ぶ。
   3. 結紮後、ピンセットでスリップノットを緩め、ラットの切開部を縫合針およびピンセットで縫合し、ラットの心臓を収穫する前に、再灌流^17、18、19の期間にわたって1.5%ペントバルビタールナトリウムの深い麻酔で動物を保温する。

3. トリフェニルテトラゾリウムクロリド染色の評価

1. 再灌流の終わりに、ラットはまだ深く麻酔をかけながらユーテン化される。ネズミを犠牲にし、すぐに彼らの心を収穫する^16,20.PBS溶液で心臓を洗い流し、−20°Cで約20分間保存して組織を硬化させる。
2. 続いて、ミクロトームブレードで心臓を2mmスライスに切断し、2%トリフェニルテトラゾリウムクロリド(TTC)( 材料表参照)とともに37°Cで約30分間インキュベートし、10%中性ホルマリンで固定する。
3. 心臓切片を撮影し、ImageJソフトウェアの画像処理プログラムを用いて梗塞領域を算出する( 材料表参照)。
   注:染色のために、梗塞部位は淡白く見えるが、正常組織は暗赤色に見える。

4. 組織学的染色

1. 再灌流期間の終わりに1.5%ペントバルビタールナトリウムの深い麻酔下で心臓を収穫する。
2. 心臓を10%ホルマリンで4°Cで48時間固定する。
3. 続いて、ミクロトームで心臓を少なくとも6つのスライス(厚さ5μm)に切除し、ヘマトキシリンおよびエオジン(H&E)およびマッソン染色のために少なくとも3つのスライスを確保する^20,21。
4. スライドを光学顕微鏡で観察し、撮影します。

5. 心電図評価

1. 動物を実験群または既存のMIRIモデル群または偽群にランダムに分割して、ECG変化を評価する。
2. 外科的結紮中にすべてのラットを麻酔し、標準的な四肢リードIIトレース^20,21を評価してECG変化を同定し、心筋虚血を確認する。
3. すべての画像をデジタルライブラリに保存します。

6. 統計解析

1. 科学的なグラフと統計ソフトウェアを使用して統計分析を実行します( 材料表を参照)。
2. すべてのデータを平均±平均の標準誤差として表します。各グループの正規性検定および対数正規性検定の後、一元配置分散分析およびt検定²²を実行して、グループ間の有意差を決定した。 p値<0.05を統計的に有意と考えてください。

Representative Results

TTC染色
既存または改善されたMIRI処置または偽の手術を受けたラットの心臓切片をTTCで染色し、画像をデジタルで保存し、ImageJを用いて分析した。既存のMIRI処置または改善されたMIRI処置のいずれかを受けたラットは心筋梗塞を有していたが、偽群のラットはそうではなかった(図2B)。偽群のラットと比較して、既存の(p <0.0001)および実験(p <0.0001)MIRIモデル群のラットは心筋梗塞サイズに有意差があり、実験モデル群は既存のモデル群(p=0.0176)よりも心筋梗塞サイズが大きかった(図3B)。

組織学的染色
H&EおよびMasson染色^22,23を用いて染色された標本の分析は、偽群と比較して、実験群および既存のモデル群の両方の心筋細胞が重大な損傷および核分解を経験し、多数の好中球によって浸潤されたことを示した(図3)。

心電図試験
既存および実験MIRIモデル群のラットのECG ST-Tセグメントは、偽群のラット群と比較して上昇し(図4A)、実験モデル群と偽群(p<0.0001)または既存モデル群と偽群(p<0.0001)の差は有意であった(図4B)。さらに、ST-Tセグメントは、既存のモデル群(p=0.0274)よりも実験モデル群においてより上昇した(図4C)。

生存率
生存率は、2つのMIRIモデル群間で有意に異なっていた(図4D)。10匹のラットのうち4匹が既存のモデル群で死亡した。死亡率は再灌流期間中に40%であった。対照的に、実験モデル群のラットのいずれも手術中に死亡しておらず、現在の改良モデルの方が生存率が高いことを実証した(p = 0.0291)。

図1:心筋虚血および再灌流傷害(MIRI)モデル手術の主要なステップ。 緑色の点は虚血期間中の結紮のプロトコルを示し、軟管を冠状動脈上に置き(A)、縫合糸ラインを予め準備した軟質管の溝に引っ掛ける(B)、スリップノットを緩める、再灌流期間が始まったときの軟質管の取り外し(スケールバー=1cm)(C).LAA:左心房付属器、RAA:右心房付属器、LAD:左前下降、RCA:右冠状動脈、IVC:下大静脈、SVC:上大静脈、AO:大動脈、PA:肺動脈。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:手術手順全体と、異なるグループ間のトリフェニルテトラゾリウムクロリド(TTC)染色の違い。 予め用意された小型リトラクター(スケールバー=15mm)、ソフトチューブ(スケールバー=10mm)、及び手術全体(スケールバー=15mm)を示す(A)。30匹のラットを、実験群(n=10)、偽群(n=10)、および既存モデル群(n=10)に無作為に分けた。TTC染色は、実験群と既存モデル群の両方が偽群(B)と比較して有意な変化を有することを示した。実験では心筋の前壁、既存モデル群では側壁が淡白色に変わり、虚血領域の位置を確認した(スケールバー=5mm)。図では「既存モデル」を「旧モデル」として描いています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:群間のH&E染色とマッソン染色の違い 30匹の雄スプレイグ・ドーリーラットを実験群(n=10)、偽群(n=10)、および既存モデル(n=10)群に無作為に分け、群間の細胞形態変化の比較を示す(スケールバー=2mm)。ヘマトキシリンおよびエオジン(H&E)、およびマッソン染色は、実験モデルおよび既存のモデル群の心筋細胞が重大な損傷、核分解を有し、偽群のものと比較して多数の好中球によって浸潤されることを示している(スケールバー= 100μm)。図では「既存モデル」を「旧モデル」として描いています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:グループ間の統計結果の違い30匹の雄スプレイグドーリーラットを、実験群(n=10)、偽群(n=10)、および既存モデル群(n=10)に無作為に分けた。心電図所見は、既存のモデル群と比較して、実験モデル群は、より大きな心筋梗塞サイズ(****p<0.0001、*p = 0.0176)(A)、より高いSTセグメント標高(****p<0.0001、*p = 0.0274)(B)、およびより高い生存率(p = 0.0291)(C).特に、既存のモデル群のラットは、虚血期間の開始時および再灌流期間の開始時に死亡する可能性が高かった(D)。図では「既存モデル」を「旧モデル」として描いています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

補足図1:事前に準備されたリトラクターとPVCチューブの詳細。 予め準備されたリトラクター(A)およびPVCチューブ(B)が示されている。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

Discussion

既存の方法と改良された方法の主な違いは、ライゲーションプロセスにおけるPVCチューブの使用でした。既存の手術方法では、心筋組織を6-0シルク縫合糸のみを用いて結紮し、結紮中に心筋に損傷を与え、術中死を招いた。さらに、心臓の脈動はスリップノットを緩めます。これに対して、PVCチューブを用いた改良方法では、チューブの溝に置かれたスリップノットを締め付けることができ、ライゲーションの影響を受ける心筋の面積が増加した。これらの利点は、実験手順中に観察され、TTC染色および生存率所見によって確認された。

改善された手術方法の重要なステップは、虚血期の結紮中に神経、リンパ管、および心筋組織を伴う近位LAD冠状動脈に軟管を配置することであった。この予め準備された柔らかいチューブは、末梢組織(神経、心筋、およびリンパ管)を保護し、冠状動脈結紮中の死亡率を低下させるクッションとして作用することができる。既存の方法で行った手術は、心筋梗塞の手術と同様であった。生存率の所見は、既存のモデル群のラットが主に虚血期間中に死亡したことを示した(2匹のラットが結紮後2分で死亡し、2匹のラットが結紮後45分で死亡した)。さもなければ、根底にある死因はまだ不明であり、神経構造²³、リンパ管、および心筋へのさらなる損傷を含む一連の仮説がある。

神経損傷に関して、以前の研究は、動物モデルにおける虚血期間中に、神経構造に対する虚血の直接的な局所的影響に加えて、交感神経支配における軸体輸送の障害に寄与するニューロペプチドY(NPY)レベルの有意な減少もおそらく存在することを示している²⁴。この知見は、ラットのLAD冠状動脈の結紮後に梗塞した心筋内でNPYの漸進的な消失が起こったことを明らかにしたHanら²⁵によって報告された結果と一致する。しかし、この文脈におけるNPYの役割は不明のままである。その欠失は、急性心筋梗塞²⁶の間に心臓機能障害およびアポトーシスを減弱させ、不整脈27、高血圧、および冠状動脈微小血管機能²⁸と関連している。

さらに、虚血期に心臓リンパ流の有害な閉塞が起こり、重度の心浮腫、左機能障害、出血²⁹をもたらし、ラットの別の死因となった可能性がある。この病理学的プロセスの間、LAD冠状動脈の結紮は、冠状動脈の閉塞または梗塞領域内の心臓リンパ輸送に起因する可能性があり、これは、心外膜コレクターリンパ管の有害なリモデリング、リンパ流の減少、および持続的な浮腫³⁰などのさらなる合併症を引き起こし得る。

したがって、リンパ管内の循環は心臓恒常性³¹および創傷治癒³²において機能的役割を果たしており、本研究における生存率の所見は、MIRI外科的処置の改善がリンパ管損傷を回避し、結紮中にLAD冠状動脈上に軟質チューブを配置することによってリンパ再灌流を促進する可能性があることを示唆している。これと比較して、既存の手術方法は、柔らかいチューブのクッション効果なしに、LAD冠状動脈の結紮中に心筋を引き裂き、大量の出血を引き起こす可能性がより高い。さらに、予め調製された柔らかいチューブの直径は、6-0シルク縫合糸よりもはるかに大きく、虚血期間中にスリップノットをチューブに縛り付けたときにチューブが収縮し、より大きな梗塞サイズを誘発した可能性がある。

この研究にはいくつかの制限がありました。心臓の梗塞の大きさを予備実験で分析した。置換式(N = 7.75)は、以前に報告された式³³を用いて計算した。手術中のラットの死の可能性を考慮すると、Nは25%増加した。したがって、n=10(各群10匹のラット)が決定された。さもなければ、MIRIモデルを生成するための既存の方法は高い死亡率を有していた。したがって、実験モデル群における少数の症例(低いサンプルサイズ)が統計的所見に影響を与えた。心エコー検査³⁰、エバンスブルー染色34、および心筋酵素測定³⁵を含むいくつかの評価は、心機能の評価および分析に不可欠であった。この研究のサンプルサイズが低いため、これらの評価は実施されておらず、MIRIにおける薬力学的研究の将来の研究で説明される予定です。しかし、MIRIモデルを生成するための既存の外科的処置が広範な心筋損傷と関連していることを考慮すると、ラットにおけるMIRIのモデリングを改善し、虚血性心疾患を正しくシミュレートするこの前臨床モデルに光を当てるために、この本方法を報告することは価値がある。

結論として、MIRIモデルを生成するための改良された手術方法は、既存のMIRIモデル生成法よりも生存率が高く、ST-Tセグメントが上昇し、梗塞サイズが大きく、改良されたモデルがMIRI病理をよりよくシミュレートすることが示唆された。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
10% Neutral Formalin	Chunyu, China	_
2,3,5-Triphenyl-2H-Tetrazolium Chloride	Solarbio, China	T8107
75% Alchol	SCR, China	10009261
Artery Clip	Zhonglin Dongsheng, China	6.5cm
Camera	Olympus Corporation, Japan	EPL5
Cotton ball	Huachen, China	_
Dpilatory cream	Veet, China	_
Eye speculum	Shanghai Jingzhong, China	_
Gauze	Zhonggan, China	_
GraphPad	GraphPad Software, USA	8.0
H&E Kit	Solarbio, China	G1120
High-pressure steam sterilizer	TOMY, Japan	SX-500
ImageJ	NIH, USA	_
Masson Kit	Solarbio, China	G1340
Medical Tape	Mr.Song, China	_
Microscope	Olympus Corporation, Japan	CKX31
Microscopy	TEKSQRAY, China	_
Microtome	Leica, Germany	RM2235
Microtome Blade	Leica, Germany	819
Needle holder	Shanghai Jingzhong, China	_
Ophthalmic scissors	Shanghai Jingzhong, China	_
Ophthalmic tweezers	Shanghai Jingzhong, China	_
Paper clip	Chenguang, China	ABS91613
Physiological saline solution	Kelun, China	_
Powerlab ECG	ADINSTRUMENTS ,China	4/35
PVC tube	Guanzhijia, China	_
Small animal ventilator	TECHMAN, China	HX-101E
Sodium Pentobarbital	SIGEMA, USA	1030001
Suction trocar	TECHMAN, China	HX-101E
Suture line	Lingqiao, China	4-0
Suture needle with thread	Shanghai Pudong Jinhua Medical Products Co LTD, China	6-0