Summary
Questo protocollo descrive un modello murino di aneurisma dell'aorta addominale indotto da fosfato di calcio (AAA) per studiare le caratteristiche patologiche e i meccanismi molecolari delle AAA.
Abstract
Un aneurisma dell'aorta addominale (AAA) è una malattia cardiovascolare pericolosa per la vita che si verifica in tutto il mondo ed è caratterizzata da una dilatazione irreversibile dell'aorta addominale. Attualmente, vengono utilizzati diversi modelli murini AAA indotti chimicamente, ognuno dei quali simula un diverso aspetto della patogenesi dell'AAA. Il modello AAA indotto da fosfato di calcio è un modello rapido ed economico rispetto ai modelli AAA indotti da angiotensina II ed elastasi. L'applicazione di cristalli di CaPO4 all'aorta del topo provoca degradazione delle fibre elastiche, perdita di cellule muscolari lisce, infiammazione e deposizione di calcio associata alla dilatazione aortica. In questo articolo viene introdotto un protocollo standard per il modello AAA indotto da CaPO4. Il protocollo comprende la preparazione del materiale, l'applicazione chirurgica del CaPO4 all'avventizia dell'aorta addominale infrarenale, la raccolta delle aorte per visualizzare gli aneurismi dell'aorta e le analisi istologiche nei topi.
Introduction
Un aneurisma dell'aorta addominale (AAA) è una malattia cardiovascolare letale caratterizzata da dilatazione permanente dell'aorta addominale, con alti tassi di mortalità una volta che si verifica la rottura. L'AAA è associata all'invecchiamento, al fumo, al genere maschile, all'ipertensione e all'iperlipidemia1. Diversi processi patologici hanno dimostrato di contribuire alla formazione di AAA, tra cui la proteolisi delle fibre della matrice extracellulare, l'infiltrazione delle cellule immunitarie e la perdita di cellule muscolari lisce vascolari. Attualmente, i meccanismi patologici dell'AAA rimangono elusivi e non ci sono farmaci provati per il trattamento di AAA1. La ricerca sull'AAA umana è limitata a causa dell'esistenza di pochi campioni aortici umani; pertanto, sono stati stabiliti e ampiamente adottati diversi modelli di AAA animali indotti da modificazioni chimiche, tra cui l'infusione sottocutanea di angiotensina II (AngII), l'incubazione perivascolare o intraluminale dell'elastasi e l'applicazione perivascolare del fosfato di calcio2. Un modello murino comunemente usato è l'applicazione di fosfato di calcio (CaPO4) all'avventizia dell'aorta addominale infrarenale, che è economica e non richiede modificazioni genetiche.
L'applicazione periaortica diretta di CaCl2 all'arteria carotide dei conigli per indurre un cambiamento aneurismatico è stata inizialmente riportata da Gertz et al.3 ed è stata successivamente applicata alle aorte addominali dei topi. Il modello è stato sviluppato da Yamanouchi et al. per accelerare la dilatazione aortica utilizzando cristalli di CaPO 4 nei topi4. L'infiltrazione di CaPO4 nelle aorte dei topi riassume molte caratteristiche patologiche osservate nelle AAA umane, tra cui l'infiltrazione profonda dei macrofagi, la degradazione della matrice extracellulare e la deposizione di calcio. I fattori di rischio dell'AAA umana, come l'iperlipidemia, aumentano anche l'AAA indotta da CaPO4 nei topi5. In contrasto con l'AAA indotta da perfusione AngII nei topi ApoE-/- o LDLR-/-, l'AAA indotta da CaPO4 si verifica nella regione aortica infrarenale, che imita l'AAA umana. Attualmente, questo metodo è stato ampiamente applicato per valutare la suscettibilità allo sviluppo di AAA in topi geneticamente modificati e valutare gli effetti anti-AAA dei farmaci 6,7.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Gli studi sugli animali sono stati condotti in conformità con le linee guida del Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali del Centro di scienze della salute dell'Università di Pechino e sono stati approvati dal Comitato etico biomedico dell'Università di Pechino (LA2015142). Tutti i topi per la chirurgia sono stati anestetizzati con isoflurano (1,5% -2%) e l'anestesia è stata attentamente monitorata per evitare dolore o disagio per i topi.
1. Preparazione
- Tagliare strisce larghe 0,3 cm di guanti di gomma senza polvere e garza.
- Acquista topi maschi C57BL / 6J di 8-10 settimane. Ospita gli animali in un ambiente climatizzato con un ciclo luce-buio di 12 ore e libero accesso a cibo e acqua.
- Autoclavare la garza, tamponi di cotone, forbici e pinze prima dell'intervento chirurgico.
- Ottenere betadine, etanolo al 70% e lavaggio delle mani antisettico.
- Indossa una maschera, un camice e guanti sterili.
2. Procedura chirurgica
- Somministrare compresse masticabili di carprofen (dose da 5 mg/kg) a un topo C57BL/6J di 8-10 settimane 2-4 ore prima dell'intervento. Quindi, posizionare il mouse in una camera di induzione (206 mm x 210 mm x 140 mm) con isoflurano ad una portata dell'1,5%-2%.
- Monitorare il mouse per circa 5 minuti fino a quando la respirazione è visibilmente rallentata. Assicurarsi che il topo non abbia alcuna risposta alla stimolazione del dolore prima dell'intervento chirurgico.
- Applicare un unguento oftalmico sugli occhi e fornire supporto termico con una piastra riscaldante o una coperta. Confermare la profondità dell'anestesia con un pizzico della punta ogni 15 minuti durante la procedura chirurgica.
- Rasare i peli addominali del mouse usando un tagliacapelli elettrico o una crema depilatoria. Tamponare e pulire l'area rasata con betadine, seguito da etanolo al 70%, più volte con un movimento circolare. Cambiare i guanti per mantenere la sterilità.
- Utilizzare le forbici per fare un'incisione ~ 1,5 cm nell'addome inferiore lungo la linea mediana dell'addome.
- Utilizzare un batuffolo di cotone sterile inumidito con soluzione salina normale per rimuovere con cura l'intestino fino a quando l'aorta infrarenale è visibile.
- Sezionare il tessuto connettivo e il grasso dall'aorta infrarenale per una sezione di circa 0,5 cm. Notare i piccoli vasi sul lato dorsale ed evitare di strapparli. Non è necessario separare l'aorta addominale dalla vena principale addominale.
- Imballare un pezzo della striscia di guanti di gomma imbevuta di soluzione salina sotto l'aorta addominale e la vena principale addominale. Utilizzare un batuffolo di cotone per rimuovere il liquido in eccesso.
- Imballare un pezzo di garza imbevuto di 0,5 M CaCl2 sull'avventizia della vascolarizzazione addominale infrarenale per 10 minuti. Per il gruppo di topi fittizi, sostituire lo 0,5 M CaCl2 con soluzione salina normale.
- Rimuovere la garza e imballare un altro pezzo di garza imbevuto di soluzione PBS per 5 minuti per generare cristalli di CaPO4 in situ nell'avventizia dell'aorta.
- Rimuovere con attenzione la striscia di guanti di gomma e la garza. Ripristina il tratto intestinale del mouse.
- Sutura l'incisione addominale e la pelle con una sutura 5-0.
- Posizionare il mouse su una piastra elettrica fino a quando il mouse non riprende conoscenza. Fornire alloggi post-chirurgici per il recupero del dolore e analgesia, secondo il comitato etico locale per gli animali.
- Ospita il topo per altri 14 giorni. Monitorare attentamente il mouse dopo l'intervento chirurgico e osservare almeno 1 volta ogni giorno successivamente. Eseguire immediatamente una necroscopia se qualche topo muore durante questo periodo.
3. Raccolta per l'imaging delle aorte
- 14 giorni dopo l'intervento, sacrificare i topi usando CO2.
- Tagliare le cavità toraciche e addominali del topo ventralmente e tagliare l'atrio destro.
- Perfondere i topi con tampone PBS attraverso il ventricolo sinistro del cuore per rimuovere il sangue nell'aorta, quindi perfondere con paraformaldeide al 4% come descritto in precedenza8.
- Raccogli l'aorta sotto lo stereoscopio.
- Mettere le aorte raccolte in provette contenenti 5 ml di paraformaldeide al 4% per 48 ore.
- Rimuovere con cura il tessuto avventiziale e il grasso sotto lo stereoscopio e appuntare l'aorta su una piastra di cera nera con aghi di insetti.
- Acquisire immagini aortiche.
4. Valutazione della degradazione delle fibre elastiche
- Tagliare i tessuti dell'aneurisma aortico in criosezioni seriali (7 μm di spessore).
- Analizzare le fibre elastiche utilizzando un kit di colorazione elastico commerciale van Gieson (EVG) secondo il protocollo del produttore.
- Classificare la degradazione dell'elastina. Grado 1: degradazione <25%; grado 2: degradazione dal 25% al 50%; grado 3: degradazione dal 50% al 75%; o grado 4: degradazione >75%.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
14 giorni dopo l'applicazione di CaPO4, i topi maschi C57BL / 6J sono stati eutanizzati e le loro aorte sono state raccolte e pulite. La morfologia delle aorte è stata ripresa per visualizzare la formazione di AAA. Come mostrato nella Figura 1A-B, l'applicazione di CaPO4 ha portato alla dilatazione dell'aorta addominale infrarenale. Istologicamente, CaPO4 ha provocato una drammatica degradazione delle fibre elastiche, come illustrato dalle rotture dell'elastina (Figura 1C).
Figura 1: I topi maschi C57BL/6J di 8 settimane sono stati trattati con soluzione salina (sham) o CaPO4 raccolti dopo 14 giorni. (A) Immagini rappresentative dell'aorta addominale infrarenale sotto uno stereoscopio. (B) Immagini morfologiche rappresentative delle aorte dei topi; barra di scala = 1 mm. (C) Immagini rappresentative della colorazione elastica di van Gieson delle aorte. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
L'applicazione periaortica di CaPO4 è un approccio robusto per indurre AAA nei topi. Diversi studi hanno utilizzato il modello CaPO4 e hanno costantemente riportato che questo è un metodo rapido e riproducibile per studiare AAA nei topi 7,9. Si ritiene che questo modello riassuma parte delle caratteristiche dell'aneurisma dell'aorta umana e fornisca approfondimenti meccanicistici sulla patogenesi AAA, compresa l'infiammazione e la degradazione della matrice extracellulare.
I fattori di rischio dell'AAA umana includono principalmente l'invecchiamento, il sesso maschile, il fumo, l'iperlipidemia, l'ipertensione e l'aterosclerosi10. Sebbene non studiata sistematicamente, l'iperlipidemia è stata anche trovata per predisporre i topi all'espansione AAA quando si utilizza il modello CaPO4 . A differenza degli esseri umani, l'invecchiamento gioca un ruolo minore nella formazione di AAA nel modello di topo CaPO4 5. Precedenti ampi studi epidemiologici hanno dimostrato che il diabete è un fattore di rischio negativo indipendente dell'AAA11 umano. Mentre alcuni dati suggeriscono che la metformina, un farmaco diabetico, causa questo effetto, in alternativa è interessante che, nel modello CaPO4 , l'iperglicemia inibisce la dilatazione aortica mediante la soppressione dell'attivazione dei macrofagi12.
Attualmente, sono stati stabiliti diversi modelli murini AAA indotti chimicamente, tra cui l'incubazione dell'elastasi, l'incubazione CaPO4 e la perfusione sottocutanea AngII2. Generalmente, i modelli di elastasi e CaPO4 sono stati eseguiti in topi wild-type maschi di 8-10 settimane e il modello AngII è stato eseguito in topi iperlipidemici (come topi ApoE-/- e LDLR-/-) o topi di 5-6 mesi per indurre AAA13. Tutti e tre i modelli fenoscopiano le principali caratteristiche patologiche dell'AAA umana, tra cui la degradazione delle fibre elastiche e l'infiltrazione delle cellule immunitarie. Rispetto agli altri due modelli, l'applicazione di CaPO 4 porta a un'espansione rapida e più di 1,5 volte dell'aorta 7 giorni dopo l'intervento, associata a una drammatica degradazione dell'elastina e alla deposizione di calcio4. Il modello CaPO4 induce una dilatazione fusiforme all'aorta addominale infrarenale, che imita la condizione umana AAA, mentre la perfusione AngII induce sia l'aneurisma aortico soprarenale che quello dell'aorta toracica. Considerando il costo dell'elastasi, dell'AngII e della minipompa osmotica, è più conveniente eseguire il modello CaPO4. Tuttavia, è giusto affermare che il modello CaPO4 non può indurre caratteristiche AAA come la formazione di trombi murali e la rottura aortica, e il modello è rapido e, quindi, meno adatto per eseguire studi di intervento con AAA esistente. Il modello CaPO4 è ideale per lavorare con topi geneticamente modificati per valutare la suscettibilità allo sviluppo di AAA.
Il meccanismo alla base della formazione di AAA indotta da CaPO4 non è stato ancora completamente chiarito. Studi precedenti suggeriscono che lo ione calcio può legarsi direttamente ai principali componenti strutturali arteriosi, elastina e collagene, facilitando la degradazione della matrice extracellulare e la diminuzione della stabilità della parete del vaso14. Sono stati inoltre identificati cristalli di CaPO 4 per innescare l'attivazione significativa dell'inflammasoma della proteina 3 del recettore NOD-simile (NLRP3) e l'apoptosi delle cellule muscolari lisce 4,15. Inoltre, i cristalli di microcalcificazione sono in grado di indurre cellule mononucleate in cellule simili agli osteoclasti e promuovere la produzione di metalloproteinasi della matrice (MMP) e possono, in ultima analisi, provocare l'espansione aortica16.
Quando si esegue il modello CaPO4 , è necessario evitare diversi problemi per migliorare la percentuale di successo. Si dovrebbe evitare di strappare i vasi sanguigni del ramo dorsale, evitare l'aggiunta di una soluzione di CaCl2 in eccesso nella cavità addominale ed evitare un sovradosaggio di anestesia. I topi con sanguinamento grave durante l'intervento chirurgico o con infezione postoperatoria devono essere esclusi dall'esperimento. Come riportato in precedenza, quando il numero delle osservazioni è sufficiente, i diametri massimi delle aorte nel modello CaPO4 sono solitamente normalmente distribuiti, che è diverso dal modello AngII7. Pertanto, si consiglia un confronto dei diametri massimi delle aorte anziché dell'incidenza AAA quando si utilizza il modello CaPO4 .
Nel complesso, il modello AAA di topi indotti da CaPO4 è un approccio rapido ed economico per esplorare i meccanismi molecolari e le strategie terapeutiche dell'AAA e potrebbe essere applicato in parallelo con gli altri modelli per imitare pienamente le caratteristiche dell'AAA umana.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Questa ricerca è stata supportata dal finanziamento della National Natural Science Foundation of China (NSFC, 81730010, 91839302, 81921001, 31930056 e 91529203) e dal National Key R&D Program of China (2019YFA 0801600).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| CaCl2 | MECKLIN | C805225 | |
| NaCl | Biomed | SH5001-01 | |
| PBS | HARVEYBIO | MB5051 | |
| Small animal ventilator | RWD | H1550501-012 |
References
- Kent, K. C. Abdominal aortic aneurysms. The New England Journal of Medicine. 371, 2101-2108 (2014).
- Patelis, N., et al. Animal models in the research of abdominal aortic aneurysms development. Physiological Research. 66 (6), 899-915 (2017).
- Gertz, S. D., Kurgan, A., Eisenberg, D. Aneurysm of the rabbit common carotid artery induced by periarterial application of calcium-chloride in vivo. Journal of Clinical Investigation. 81 (3), 649-656 (1988).
- Yamanouchi, D., et al. Accelerated aneurysmal dilation associated with apoptosis and inflammation in a newly developed calcium phosphate rodent abdominal aortic aneurysm model. Journal of Vascular Surgery. 56 (2), 455-461 (2012).
- Wang, Y. T., et al. Influence of apolipoprotein E, age and aortic site on calcium phosphate induced abdominal aortic aneurysm in mice. Atherosclerosis. 235 (1), 204-212 (2014).
- Zhao, G., et al. Unspliced xbp1 confers VSMC homeostasis and prevents aortic aneurysm formation via foxo4 interaction. Circulation Research. 121 (12), 1331-1345 (2017).
- Jia, Y., et al. Targeting macrophage TFEB-14-3-3 epsilon interface by naringenin inhibits abdominal aortic aneurysm. Cell Discovery. 8 (1), 21 (2022).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. Journal of Visualized Experiments. (65), e3564 (2012).
- Yu, B., et al. CYLD deubiquitinates nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 4 contributing to adventitial remodeling. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 37 (8), 1698-1709 (2017).
- Altobelli, E., Rapacchietta, L., Profeta, V. F., Fagnano, R. Risk factors for abdominal aortic aneurysm in population-based studies: A systematic review and meta-analysis. International Journal of Environmental Research and Public Health. 15 (12), 2805 (2018).
- Theivacumar, N. S., Stephenson, M. A., Mistry, H., Valenti, D. Diabetes mellitus and aortic aneurysm rupture: A favorable association. Vascular and Endovascular Surgery. 48 (1), 45-50 (2014).
- Tanaka, T., Takei, Y., Yamanouchi, D. Hyperglycemia suppresses calcium phosphate-induced aneurysm formation through inhibition of macrophage activation. Journal of the American Heart Association. 5 (3), 003062 (2016).
- Lu, H., et al. Subcutaneous angiotensin II infusion using osmotic pumps induces aortic aneurysms in mice. Journal of Visualized Experiments. (103), e53191 (2015).
- Urry, D. W. Neutral sites for calcium ion binding to elastin and collagen: A charge neutralization theory for calcification and its relationship to atherosclerosis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 68 (4), 810-814 (1971).
- Li, Z. Q., et al. Runx2 (runt-related transcription factor 2)-mediated microcalcification is a novel pathological characteristic and potential mediator of abdominal aortic aneurysm. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 40 (5), 1352-1369 (2020).
- Kelly, M. J., Igari, K., Yamanouchi, D. Osteoclast-like cells in aneurysmal disease exhibit an enhanced proteolytic phenotype. International Journal of Molecular Sciences. 20 (19), 4689 (2019).
