Summary
このプロトコルは蘇生のための胸の圧迫を要求しない窒息の心停止の独特なマウス モデルを示す。このモデルは、心停止および蘇生中の脳生理学のダイナミクスをモニタリングおよびイメージングするのに役立ちます。
Abstract
ほとんどの心停止(CA)生存者は、さまざまな程度の神経学的欠損を経験します。CA誘発性脳損傷のメカニズムを理解し、効果的な治療法を開発するためには、実験的なCA研究が不可欠です。この目的のために、いくつかのマウスCAモデルが確立されています。これらのモデルのほとんどは、心肺蘇生法(CPR)のための胸骨圧迫を行うために、マウスを仰臥位に置きます。しかし、この蘇生手順では、CAおよび蘇生中の脳生理学のリアルタイムイメージング/モニタリングが困難になります。そのような重要な知識を得るために、本プロトコルは、胸骨圧迫CPRステップを必要としないマウス仮死CAモデルを提示する。このモデルにより、CA前のベースラインからCA後の早期再灌流までの血流、血管構造、電位、および脳組織酸素の動的変化を研究できます。重要なのは、このモデルが老齢マウスに適用されることです。したがって、このマウスCAモデルは、CAが脳生理に及ぼす影響を読み解くための重要なツールとなることが期待されます。
Introduction
心停止(CA)は依然として世界的な公衆衛生上の危機です1。米国だけでも、年間356,000件以上の院外および290,000件の院内CA症例が報告されており、CAの被害者のほとんどは60歳以上です。特に、CA後の神経学的障害は生存者によく見られ、これらはCA管理にとって大きな課題となっている2,3,4,5。CA後の脳病理学的変化と神経学的転帰への影響を理解するために、さまざまな神経生理学的モニタリングおよび脳組織モニタリング技術が患者に適用されています6、7、8、9、10、11、12。近赤外分光法を用いて、CAラットのリアルタイム脳モニタリングも行われ、神経学的転帰を予測しています13。
しかし、マウスCAモデルでは、このようなイメージングアプローチは、自発循環を回復するために胸骨圧迫が必要であり、常にかなりの身体運動を伴い、したがって繊細なイメージング手順を妨げるため、複雑になっています。さらに、CAモデルは通常、マウスを仰臥位にして実施されますが、多くの脳イメージングモダリティではマウスを腹臥位にする必要があります。したがって、多くの場合、手術前の体の動きを最小限に抑えたマウスモデルが、CA手術前から蘇生後までのCA手術全体を通して脳のリアルタイムイメージング/モニタリングを行うために必要です。
以前、Zhangらは、脳イメージングに有用である可能性のあるマウスCAモデルを報告した14。彼らのモデルでは、CAはベクロニウムとエスモロールのボーラス注射とそれに続く人工呼吸器の停止によって誘発されました。彼らは、CAの5分後、蘇生混合物を注入することによって蘇生が達成できることを示しました。しかし、注目すべきことに、彼らのモデルでは、エスモロール注射の約10秒後にのみ循環停止が起こりました。.したがって、このモデルは、逮捕前の期間中の高炭酸ガス血症や組織低酸素症など、患者の窒息誘発性CAの進行を再現していません。
現在の外科的処置の全体的な目標は、マウスの臨床的窒息CAをモデル化し、その後、胸骨圧迫を伴わない蘇生を行うことです。したがって、このCAモデルは、マウスの脳生理学を研究するための複雑なイメージング技術の使用を可能にする15。
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Protocol
ここで説明するすべての手順は、研究における動物のケアと使用に関する国立衛生研究所(NIH)のガイドラインに従って実施され、プロトコルはデューク動物ケアおよび使用委員会(IACUC)によって承認されました。本研究では、8〜10週齢のC57BL/6雄および雌マウスを使用しました。
1.手術の準備
- デジタルスケールでマウスの重量を量り、4インチ x 4インチ x 7インチのプレキシガラス麻酔導入ボックスに入れます。
- 麻酔気化器を5%イソフルランに、酸素流量計を30に、窒素流量計を70に調整します( 材料表を参照)。
- 動物を誘導ボックスから取り出し、呼吸数が毎分30〜40呼吸に減少したら、手術台に仰臥位で横たえます。.
- 鈍い鉗子で舌を引き出し、利き手ではない方の手で持ちます。利き手を使って喉頭鏡( 資料表参照)をマウスの口に挿入し、声帯を視覚化します。
- 利き手でない方の手を使用して、ガイドワイヤーと20Gの静脈内カテーテルを口に挿入します。ガイドワイヤーを気管にそっと挿入します。
- カテーテルの翼部分が鼻先と平らになるまで、カテーテルを気管に押し込みます。
注:完全に麻酔されていないマウスは、気管を傷つけて気道出血を引き起こす可能性があるため、挿管しないでください。 - 挿管したマウスを小動物用人工呼吸器( 材料表を参照)に接続し、イソフルランを1.5%に減らします。
- マウスの体重を人工呼吸器のコントロールパネルに入力して、一回換気量と呼吸数を決定します。
- ヒートランプの下でマウスを仰臥位に保ち、温度コントローラーで直腸温度を37°Cに保ちます。
- 鼠径部を剃り、手術部位をヨウ素とアルコールで少なくとも3回消毒し( 材料表を参照)、無菌の外科用ドレープで患部を覆います。
- 両眼に眼軟膏を塗布し、手術前に5 mg/kgのカルプロフェンを皮下投与する。
- 手術用の滅菌器具パッケージを開封します。外科用ハサミで1cmの皮膚切開を行い、両側の大腿動脈にアクセスします。大腿遠位動脈を4-0の絹糸の1本鎖で解剖して結紮し(資料表を参照)、リドカインを1滴塗布します。
- 大腿動脈近位部に動脈瘤クリップを装着し、クリップの遠位動脈に小さな切り込みを入れます。ポリエチレン10(PE-10、 資料表参照)カテーテルを左右の大腿動脈に挿入します。
注:左の動脈ラインは血圧のモニタリングに使用され、右の動脈ラインは採血と蘇生混合物の注入に使用されます。 - 50 μL の 1:10 ヘパリン化生理食塩水を各動脈ラインに注入して、ライン内の凝固を防ぎます。
- マウスを腹臥位に回し、脳定位固定装置ヘッドフレームに取り付けます。
- 3本の針電極(赤、緑、黒)を左腕、左脚、右腕に接続して、心電図(ECG、 材料表を参照)モニタリングを行います。
- 脳血流モニタリングのために、0.5cmの皮膚切開部を通して、無傷の側頭蓋骨に柔軟なプラスチック繊維プローブを接着します。この手順は省略可能です。
- 頭のてっぺんを剃り、手術部位をヨウ素とアルコールで少なくとも3回消毒し、滅菌手術用ドレーペルで患部を覆います。
- 2.5cmの正中線皮膚切開部を切開し、4つの小さなリトラクターを使用して頭蓋骨表面全体を露出させ、脳イメージングを行います。
- モニタリングイメージャー(レーザースペックルコントラストイメージャーなど、 材料表を参照)を頭の上に置きます。
注:頭蓋骨の表面に数滴の生理食塩水を追加して、レーザースペックルコントラストイメージングを容易にすることができます。
2.心停止の誘発
- 1 mLのプラスチックシリンジに26 μLの蘇生カクテルストック溶液を充填します。
注:この溶液の各ミリリットルには、400 μLの1 mg / mLエピネフリン、500 μLの8.4%重炭酸ナトリウム、50 μLの1,000 U / mLヘパリン、および50 μLの0.9%塩化ナトリウムが含まれています( 材料表を参照)。 - 体温が37°Cに達するまで待ちます。 酸素計を100%に調整して、血液を2分間酸素化します。
- 酸素化された動脈血を右大腿動脈 から 最大200μLの吸血し、26μLの蘇生カクテルストック溶液を含む準備したプラスチックシリンジに入れます。
- 酸素のスイッチを切り、窒素を100%に増やして酸素欠乏を誘発します。
注意: 約45秒後、心臓は機能しなくなり、心拍数が急速に低下し、CAの発症を示します。約2分間の酸素欠乏の後、ECGモニタリングは収縮を示し、測定可能な全身血圧はなく、脳血流はごくわずかです。 - 換気装置、イソフルラン気化器、温度コントローラー、窒素流量計の電源を切ります。蘇生に備えて酸素を100%に調整します。
3.蘇生手順
- CA発症後8分で人工呼吸器をオンにします。
- 蘇生カクテルと混合した酸素化された血液を、1分で右大腿動脈 を介して 血液循環に注入し始めます。
注:注入は心拍数の漸進的な増加と血液灌流の回復につながります。やがて、自発循環(ROSC)の復活が達成される。
4. CA 後の回復
- マウスを脳定位固定装置から取り外した後、マウスを仰臥位にし、PE-10カテーテルを大腿動脈から取り外します。
- 0.25%ブピバカインを皮膚切開部に塗布し、6-0ナイロン縫合糸を使用して皮膚切開部を縫合します( 材料表を参照)。皮膚切開部の表面に抗生物質軟膏を塗ります。
- 自発呼吸が回復したら、マウスの人工呼吸器を外します。.
- マウスを32°Cに制御された温度の回復チャンバーに移します。
- 回復から2時間後、マウスを抜管し、ホームケージに戻します。脱水症状を防ぐために、0.5mLの生理食塩水を皮下に注入します。
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Representative Results
CAを誘導するために、マウスに1.5%イソフルランで麻酔をかけ、100%窒素で換気した。この状態は、45秒で重度の徐脈を引き起こしました(図1)。2分間の酸素欠乏後、心拍数は劇的に低下し(図2)、血圧は20mmHgを下回り、脳血流は完全に停止しました(図1)。イソフルランをオフにすると、体温は管理されなくなり、CA終了時には約32°Cまでゆっくりと低下しました(図1)。
CAの8分後すぐに人工呼吸器をオンにし、マウスに100%酸素を供給しました。血液蘇生混合物は、動脈カテーテル を介して 循環に注入されました。血液蘇生用混合物を注入した直後、心機能は回復し始めました。しばらくすると、全身血流と脳血流が回復し、ROSCが確立されました。ROSCの成功率は、私たちの研究室ではほぼ100%です。このモデルは、若齢および高齢のマウスで成功裏に実施されています。
このモデルによって可能になったこの研究では、レーザースペックルコントラストイメージング(LSCI)と光音響イメージングを含む2つのイメージングモダリティを使用して、CAおよび蘇生中の脳血流と血中酸素化を全脳レベルで監視しました。LSCIは、CA中に脳内の血流が完全にないことを確認しました(図3)。CA処置中の血流、構造、酸素化のより詳細な変化は、光音響画像から得ることができます(図4)。
図1:CAおよび蘇生中の生理学的記録。 脳血流 (% ベースライン; レーザー ドップラー流量測定で測定)、血圧 (mmHg)、心臓活動 (毎分心拍数)、および体温 (°C) は、CA 前、CA 中、および CA 後に変化します。X 軸は時間を分単位で表します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:CAおよび蘇生中の心臓活動。 心拍数は連続的に記録され、パネル(A)、(B)、および(C)は、それぞれCA前、CA中、およびCA後の心拍数を表しています。y軸は絶対電圧値(mV)を表します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:CAおよび蘇生中のレーザースペックルコントラスト画像。全体的な脳血流をモニターしました。CAは、ベースライン(A)と比較して脳血流(B)の完全な喪失を引き起こしました。蘇生直後の脳に過灌流が存在し(C)、その後、後期に低灌流が続いた(D)。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:CAおよび蘇生中の光音響画像。局所的な血管変化は、光音響イメージングを使用してアクセスされました。動脈と枝は、ベースライン(A)と比較して、CA(B)中に血液で灌流されませんでした。蘇生直後からすべての動脈と枝が灌流され、枝と枝の間の小さな橋(C、矢印)も含まれていました。しかし、これらの橋は低灌流のために遅く消失した(D)。バーはsO2レベルを示します。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
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Discussion
実験的CA研究では、窒息、塩化カリウム注射、または電流由来の心室細動がCA16、17、18、19、20、21、22、23を誘発するために使用されています。通常、これらのCAモデル、特にマウスでは蘇生にCPRが必要です。マウスの仮死後の自然蘇生を可能とする蘇生用混合物を製剤化しました。CPRステップをなくすことで、CA中の脳生理学や、現在のイメージングモダリティを使用した蘇生の機会が増えます。
この蘇生カクテルストック溶液には、重炭酸ナトリウム、ヘパリン、酸素化動脈血、およびエピネフリンが含まれています。CAが代謝性アシドーシスと呼吸性アシドーシスの両方を誘発することはよく知られています。重炭酸ナトリウムは、血液中のpHを正常化することが期待されています。ヘパリンは抗凝固剤であり、再灌流中の有害な血栓形成を防ぐために使用されます。酸素化された血液とエピネフリンは、このモデルでの蘇生に最も重要な要素です。この自然蘇生を支える正確なメカニズムはまだ不明ですが、十分な量の酸素化された血液が冠状動脈に到達し、酸素とエピネフリンが供給されると、心筋収縮性の回復と心拍出量の生成が胸骨圧迫なしで達成できると推測されています。このプロセスでは、心臓への酸素化された血液の送達を容易にするため、非崩壊および厚肉の動脈血管系でのみ達成可能な注入圧力が重要です。この考えを裏付けるように、大腿静脈 から 同じ混合物を注入しても心機能の回復は得られず、蘇生は達成できないことがわかりました。したがって、この蘇生カクテルは、胸骨圧迫なしで心機能の回復を達成するために、動脈ラインを介して投与されなければなりません。
現在のモデルで使用されているエピネフリンの投与量は、標準的なCA実験で使用されているものと同様です。蘇生カクテルストック溶液の各ミリリットルには、400μgのエピネフリンが含まれています。.シリンジは26μLの蘇生カクテルストック溶液で調製され、動脈血はシリンジ内で200μLまで引き出されます。1 mL のプラスチックシリンジは前端に 60 μL のデッドスペースがあるため、蘇生後のシリンジ内に残存する血液は 60 μL であり、これには 6 μL の蘇生カクテル原液が含まれています。したがって、最終的に注射された蘇生カクテルストック溶液は、各マウスにおいて20μLであり、この手順における8μgのエピネフリンの用量を表す。このプロトコルでは、臨床現場と同様に、蘇生液の量は体重に応じて調整されません。体重20〜32gのマウスでは蘇生の問題は発生していません。
注目すべきことに、この蘇生プロトコルは、この窒息CAモデルでのみ正常に使用されました。私たちのパイロット研究では、このプロトコルはKCl誘発CA後のマウスの蘇生に失敗しました。したがって、ここで説明するモデルは、仮死CAの脳生理学を研究するのに特に有用である。
要約すると、このモデルは蘇生時に胸骨圧迫を必要としないため、1)マウスを腹臥位に保つことができ、2)頭を脳定位固定装置ヘッドフレームに取り付けることができ、記録フェーズ全体を通して動かすことなくイメージングと電気生理学的測定を行うことができます。これは、CAおよび蘇生中の脳生理学のイメージング/モニタリングの要件に完全に適合します。このモデルは、CAマウスの脳血流、血管応答、脳組織酸素を動的に追跡することを目的とした実験に使用され、これらの実験により、CAの血管変化と薬物投与に対する応答に関する貴重なデータが生成されました。
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Disclosures
著者に利益相反はありません。
Acknowledgments
著者は、編集サポートしてくれたキャシー・ゲージに感謝します。この研究は、デューク大学医療センター麻酔科、米国心臓協会の助成金(18CSA34080277)、および米国国立衛生研究所(NIH)の助成金(NS099590、HL157354、NS117973、およびNS127163)からの資金によって支援されました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Adrenalin | Par Pharmaceutical | NDC 42023-159-01 | |
| Alcohol swabs | BD | 326895 | |
| Animal Bio Amp | ADInstruments | FE232 | |
| BP transducer | ADInstruments | MLT0699 | |
| Bridge Amp | ADInstruments | FE117 | |
| Heparin sodium injection, USP | Fresenius Kabi | NDC 63323-540-05 | |
| Isoflurane | Covetrus | NDC 11695-6777-2 | |
| Laser Doppler perfusion monitor | Moor Instruments | moorVMS-LDF1 | |
| Laser speckle imaging system | RWD | RFLSI III | |
| Lubricant eye ointment | Bausch + Lomb | 339081 | |
| Micro clip | Roboz | RS-5431 | |
| Mouse rectal probe | Physitemp | RET-3 | |
| Needle electrode | ADInstruments | MLA1213 | 29 Ga, 1.5 mm socket |
| Nitrogen | Airgas | UN1066 | |
| Optic plastic fibre | Moor Instruments | POF500 | |
| Otoscope | Welchallyn | 728 | 2.5 mm Speculum |
| Oxygen | Airgas | UN1072 | |
| PE-10 tubing | BD | 427401 | Polyethylene tubing |
| Povidone-iodine | CVS | 955338 | |
| PowerLab 8/35 | ADInstruments | ||
| Rimadyl (carprofen) | Zoetis | 6100701 | Injectable 50 mg/ml |
| Small animal ventilator | Kent Scientific | RoVent Jr. | |
| Temperature controller | Physitemp | TCAT-2DF | |
| Triple antibioric & pain relief | CVS | NDC 59770-823-56 | |
| Vaporizer | RWD | R583S | |
| 0.25% bupivacaine | Hospira | NDC 0409-1159-18 | |
| 0.9% sodium chroride | ICU Medical | NDC 0990-7983-03 | |
| 1 mL plastic syringe | BD | 309659 | |
| 4-0 silk suture | Look | SP116 | Black braided silk |
| 6-0 nylon suture | Ethilon | 1698G | |
| 8.4% sodium bicarbonate Inj., USP | Hospira | NDC 0409-6625-02 | |
| 20 G IV catheter | BD | 381534 | 20GA 1.6 IN |
| 30 G PrecisionGlide needle | BD | 305106 | 30 G X 1/2 |
References
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