基于短暂性脑缺氧缺血性血栓性中风模型

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Sun, Y. Y., Kuan, C. Y. A Thrombotic Stroke Model Based On Transient Cerebral Hypoxia-ischemia. J. Vis. Exp. (102), e52978, doi:10.3791/52978 (2015).

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Abstract

中风的研究已经经历了很多挫折,翻译神经保护疗法进入临床实践。与此相反,在现实世界的治疗剂(tPA溶栓)很少产生机械闭塞基于实验模型的好处,其中占主导地位的临床前中风研究。这板凳和床头之间的分裂意味着需要采用tPA的响应模型在临床前研究中风。为此目的,一个简单的和tPA的反应性血栓性中风模型被发明并在此描述。该模型包括通过在成年小鼠面罩30分钟的单侧颈总动脉和输送7.5%的氧气的瞬态闭塞,同时保持动物的直肠温度在37.5±0.5℃。虽然单侧颈动脉或缺氧的可逆结扎每个抑制脑血流量瞬时只,既侮辱的组合引起再灌注持续赤字,纤维蛋白和血小板沉积,以及大型INFARCT在大脑中动脉提供的领土。重要的是,尾静脉注射重组的tPA在0.5,1,或4小时后THI(10毫克/千克)提供的死亡率和梗死面积的时间依赖性降低。这种新的中风模型简单,并且可以跨实验室标准化比较实验结果。此外,它诱导血栓形成而不骨瓣或引入预形成栓子。鉴于这些独特的优点,在THI模型是一个有益的补充临床前研究中风的剧目。

Introduction

溶栓再通的急性缺血性中风在临床实践中1最有效的疗法。然而,大多数的临床前神经保护研究的在瞬态机械梗阻模型(线栓大脑中动脉闭塞),产生在去除血管闭塞的脑血流的快速恢复,并显示很少或几乎没有益处由tPA的溶栓进行。它已被提出,中风模型的可疑的选择作出了贡献,至少部分地难度在翻译神经保护治疗的病人2,3。因此,有越来越多的要求使用tPA的响应血栓栓塞性中风模型在临床前研究,但这种模式也有技术问题(见讨论)4-7。在这里,我们描述了基于单边短暂缺氧缺血(THI)侮辱,其反应静脉注射tPA的治疗8一种新的血栓性中风模型。

基于该列文过程(单侧颈总动脉,随后通过暴露于短暂缺氧在一个腔室的永久的结扎后),这是发明了用于与成年大鼠实验在1960年9被开发的THI中风模型。原始的列文过程褪成朦胧因为它只产生可变的脑损伤,但同样的侮辱在啮齿动物的幼崽引起神经病理学一致,当它被重新引入由罗伯特·万努奇和他的同事们为新生儿缺氧缺血性脑病(HIE)1981年10模型。近年来,一些研究者通过在低氧室11调节温度重新调整了莱文-万努奇模型成年小鼠。它是合理的,不一致的脑部病变原莱文过程中可能出现的在缺氧室波动体温成年老鼠的。为了检验这一假设,我们修改了莱文的程序通过给予低氧气体通过面罩,同时保持啮齿类核心温度在37℃下在手术台12上 。正如预期的那样,严格的体温控制大大提高了高新所致的脑病变可重复性。该HI损伤也触发凝血,自噬,和灰度和白质损伤13。其他研究者也采用了HI模型,研究脑卒中后炎症反应14。

在HI中风模型的独特之处在于它紧随魏尔啸的黑社会的血栓形成,其中包括血流量,内皮损伤( 由于HI-诱导的氧化应激),和高凝状态(HI-诱导的血小板活化)的瘀( 1A)15。正因为如此,对HI模型可以捕获有关真实世界缺血性中风的一些病理生理机制。有了这个念头在脑海中,我们进一步完善了HI模型与联合国的可逆性结扎ilateral颈总动脉(因此创建一个短暂的HI侮辱),并测试其反应的tPA溶栓或无依达拉奉。依达拉奉是已经批准在日本范围内发生9小时24治疗缺血性中风自由基清除剂。我们的实验表明,简短的30分钟短暂的HI引发血栓性脑梗死,并结合tPA的,依达拉奉治疗赋予协同效益8。在这里,我们描述了详细的外科手术和THI模型的方法上的考虑,它可以被用来优化急性缺血性中风的再灌注治疗。

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Protocol

该协议是由埃默里大学的机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准,并遵循健康指导全国学院的护理和使用实验动物。

1.安装

  1. 准备手术创面上变暖垫与热泵连接,在37℃下在手术前至少15分钟。放置使用3毫升注射器针筒上的手术床上的颈部辊。准备麻醉气体,在医用空气2%异氟醚。
  2. 准备蒸压钳,剪刀,针微型持有,止血,棉签和缝线。准备组织胶和眼膏。
  3. 建立缺氧系统和温度控制器,加热灯泡和直肠探头。准备缺氧的气体与7.5%O 2 92.5%N 2平衡2%异氟醚。
  4. 前一小时的手术,将小鼠通过皮下注射缓释美洛昔康(4.0毫克/千克)的analgesized。
<P类=“j​​ove_title”> 2。短暂性脑缺氧缺血(图1B)

  1. 麻醉10-13周龄雄性C57BL / 6小鼠称重22至30克的麻醉诱导室用3%异氟烷,直到动物没有反应到脚挤压,然后使用电子剃须刀卸下右颈部的头发。
  2. 放置老鼠在手术床上以2升/分钟的流速,用2%异氟烷连接在医用空气。安全前肢伸出脖子上沿辊使用医用胶带两侧。
  3. 清洁手术部位的切口优碘其次是酒精,然后棉签。
  4. 在解剖显微镜,使用直镊子和剪刀微型约0.2厘米的皮肤中线做横向将0.5cm右颈部切口。
  5. 使用一对细锯齿钳子拉开筋膜和组织以暴露右颈总动脉(RCCA)。小心地用一双细镊子流畅的迷走神经分离RCCA。
  6. 在线结2预切割的5-0丝线缝合(释放的)上的RCCA,然后缝合用4-0尼龙单丝缝合( 图1C)的皮肤。
  7. 适用于双眼眼药膏,以防止干燥。
  8. 小鼠迅速转移到低氧系统,把鼻子和嘴中的面罩,用2%异氟烷在7.5% O 2在0.5-1,流量率/分钟进行30分钟。
    1. 在缺氧,使用温度控制器,加热灯控制肛温在37.5±0.5°C。监测呼吸率在80-120次/ min。的体温高于37℃,维持在缺氧时重要的是要创建一致脑梗塞。低呼吸频率通常在20分钟缺氧发生。取下面罩,允许正常供气若跌破呼吸频率下降到40。这需要1-2分钟,不计算入30分钟缺氧时间。
  9. 缺氧后,乘车小鼠到外科床和从RCCA释放这两个缝线。收使用组织胶伤口,然后返回小鼠的笼中。排除动物如果同时满足两个活节缺氧后意外释放。
  10. 监测小鼠为5-10分钟,以从缺氧和麻醉中恢复。将湿的食物,在笼子里,并返回到动物护理设施。
    注:THI动物展示后在24小时轻度到重度盘旋的行为是相关脑违规行为。大多数动物癫痫症状THI后的24小时时间点之前死亡。

3.激光散斑对比度成像

注意:虽然这不是THI模式的基本过程,二维激光散斑对比度成像系统16可以被用于在或者短暂缺氧缺血后表征脑血流量(CBF)的变化。到ST后立即记录CBF的变化THI下,记录EP 2.6。另外,以THI侮辱后的比较CBF的恢复,这些程序可以按照步骤2.10进行。

  1. 将麻醉小鼠俯卧位,并与外露,但在未开封的头骨进行头皮1厘米长的正中切口。
  2. 监测CBF在两个大脑半球下根据制造商的协议的血流成像器并启动CCAO手术(步骤2.6)后,立即记录脑血流量。持续50分钟。
  3. 显示CBF图像与任意单位在16色调色板和实时分析使用MoorFLPI软件按照制造商的说明( 图2)的选择区域。
  4. 记录CBF图像后,关闭与组织胶头皮和动物回到笼子里。

4. tPA的管理

  1. 注入动物尾部静脉与溶剂或10mg / kg的重组的tPA(220-300&#956;微升1毫克/米的tPA)在0.5,1或tCCAo加缺氧后4小时( 图4)。

5.脑损伤检测几种不同的选项

注意:为了收集脑组织样本,安乐死的小鼠THI后1,4或24小时。

  1. 通过体内 2,3,5-三苯基氯化执行梗塞体积的定量(TTC)方法,在24小时THI侮辱为先前的描述后,17
    1. 腹膜内注射的动物用1.4M的甘露醇溶液(±0.1毫升/克体重)穿心灌注前30分钟。穿心灌流小鼠用PBS,接着用10毫升2-%TTC的。
    2. 10分钟后除去动物手术器械的大脑并放入4%多聚甲醛固定过夜,并部分成1mm厚度与vibratome。
    3. 数码显微镜和定量捕捉了四大系列切片脑幻灯片IFY梗死体积为梗塞区(白色区域中的右侧),以使用ImageJ的软件的损坏,对侧半球的面积之比。
  2. 另外,通过免疫荧光THI在损伤后1小时进行血栓形成。
    1. 冻结华侨城化合物和部分使用恒温器的大脑在12微米厚的固定大脑。
    2. 孵育兔抗血纤蛋白原抗体大脑滑动(1:100),按照由山羊抗兔Alexa的FLURO 488染料(1:200),观察荧光在荧光显微镜上。
  3. 或者,通过尾静脉注射100微升2%伊文思蓝染料在THI损伤后4小时进行血管阻塞。
    1. 安乐死的小鼠,迅速地砍掉头埃文斯蓝注射后去除大脑到4%多聚甲醛。注意:这需要5-10分钟的伊文思蓝流通与两个fore-的蓝色和后肢。
    2. Secti上固定的大脑,在100微米厚使用滑动切片机,并使用680 nm发射滤波器上的荧光显微镜观察荧光。

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Representative Results

二维激光散斑对比度成像(LSCI)16,使用由30分钟短暂单侧颈动脉阻塞(tCCAO),30分钟暴露于低氧(7.5%氧气),和30分钟的单方面比较脑血流量(CBF)的改变颈动脉缺氧条件下(THI)结扎。此实验揭示tCCAO在常氧抑制CBF对颈动脉结扎半球〜基线值,迅速 ​​恢复到85%以上的颈动脉阻塞(R 图2A)的释放后的50%。暴露于全身缺氧单独降低了CBF到基线值,返回到常氧气氛( 图2B)之后,瞬时反弹至〜130%的大约75%。在缺氧条件下的对比度颈结扎(THI)迅速降低CBF在同侧半球到基线值小于20%约10分钟时,颈动脉ligatio释放后而很少恢复到30%以上,在20分钟n和返回常氧。 CBF对侧半球(L),然而,20至50%缺氧时波动,且THI侮( 图2C)后迅速返回到80%以上。

在tCCAo(30分钟)或tCCAO 24小时后再加30分钟缺氧(THI), 在体内 TTC染色法检测梗死17。这一分析表明由tCCAO侮辱以下THI侮辱( 图3A)无明显损伤,但相当大的梗塞在大脑中动脉提供的领土。抗纤维蛋白(原)免疫染色用于将tCCAO-和THI损伤大脑在1小时时回收比较,并表现出纤维蛋白(原)的广泛沉积,血栓形成的一个指标,在THI损伤,但不是tCCAO激发的小鼠大脑( 图3B,C)。尾静脉注射伊文思蓝染料也被用来在4小时恢复到比较tCCAO-和THI受伤的大脑血管灌注。这一分析表明减退编脑灌注和伊文思蓝染料外渗激烈THI中受伤,但不是tCCAO挑战的老鼠大脑( 图3D,E)。

最后,THI损伤小鼠接受尾静脉注射载体的结果(在0.5小时恢复)或重组人tPA(的Activase,10毫克/公斤,在0.5,1,或4小时后THI) 使用了比较体内 TTC染色在24小时时回收( 图4A)。在媒介物处理的小鼠,死亡率在24小时后THI为23.8%和只有在21 1 THI损伤小鼠超出平均值和2 SD(离群值)。 24小时内的死亡率在小鼠接受tPA的治疗在0.5小时恢复下降至8.3%,但是当tPA的被给予在1或4小时的THI侮( 图4B)之后这个效果已丢失。 图4C绘制所有的梗塞大小存活小鼠在四个治疗组。值得注意的是,无论是在0.5和1小时的tPA给药significantly减小梗塞面积,当与载体治疗相比。在0.5小时的tPA治疗组也显示出显著降低梗塞面积比4小时的tPA治疗组相当。 图4D显示每次治疗后代表TTC染色的结果。

图1
图1:短暂性脑缺血缺氧(THI)侮辱成年小鼠的程序 )魏尔啸的黑社会是推动血栓形成包括血流血,内皮损伤,血液高凝状态及瘀。 ( 二)THI行程过程的示意图。两个可松开的结被捆绑到右颈总动脉(CCA),并随后经由鼻锥30分钟输送7.5%的氧气,而小鼠直肠温度保持在37-38℃。经过反ient全身缺氧,共同国家评估结扎通过拉出释放缝线结的一端释放。 MCA,大脑中动脉; ICA,颈内动脉; ECA,颈外动脉; CCA,颈总动脉。 ( 三)外科手术暂时性右CCA闭塞。 1.两个预切割的缝合线(#1和#2)被放置在分离的权利的CAA。 2.两节释放作了。 3.切口线被关闭了缝合#3。确保缝合#1和#2的两端分别在切口线外亲和力。 4.小心地将缝合线#1和#2从外到释放CCA。当轻轻进行,此过程不会造成CCA的裂伤。

图2
图2:在和THI损伤后脑血流量的变化分析二维激光散斑对比度成像(LSCI)的系统被用来评估脑血流量(CBF)。 R(右)表示颈动脉结扎半球; L(左)是对侧半球。 (A)中 tCCAO在常氧抑制CBF至〜对颈动脉结扎半球(R)的至少30分钟,其在颈动脉结扎的释放恢复到85%以上在3分钟内的基线值的50%。 (b)在缺氧(7.5%氧气,30分钟),而颈总动脉结扎,CBF下降到基准值的76%,回到常氧瞬时后反弹至约130%。 (C)在瞬态颈结扎缺氧条件下(THI,30分钟),CBF对颈动脉结扎(R)的半球迅速下降到基线值小于20%,并且在释放它很少恢复到30%以上颈动脉结扎并返回到常氧。相比之下,CBF对侧(L)半球缺氧时的20-50%波动,并迅速恢复到> 80%的基准线颈动脉结扎释放后的价值,并返回到常氧。示出有代表性的CBF描对于n> 4组。该时间点为代表的LSCI照片被标注由代表跟踪灰线。

图3
图3:THI损伤后脑梗塞,自发血栓形成和血管阻塞(A) 在体内的TTC染色后的右颈总动脉(tCCAO)的30分钟短暂结扎表明无可见梗死在24小时,但在加入的 30分钟低氧(7.5%氧气),以tCCAO产于同侧半球(星号)相当大的梗塞,大多是在大脑中动脉供给区。 (B,C)抗纤维蛋白(原)免疫组化在THI损伤后1小时表现出广泛的矿床同侧半球。与此相反,没有纤维蛋白(原)处沉积物tCCAo后1小时(30分钟)侮(正> 4为每个)。 (D,E)脑灌注的混合物在4小时tCCAO(30分钟)或THI(30分钟)损伤后通过尾静脉注射伊文思蓝染料进行评价。在后tCCAO脑,伊文思蓝染料在同侧半球填充大部分的血管。相反,在后THI脑,埃文蓝染料填充较少血管和被泄露到实质(正> 3)。比例尺:250微米。

图4
图4:tPA的溶栓THI中风模型的影响实验在0.5,1,或4小时的THI损伤后比较静脉给药的tPA(10毫克/千克)的影响( )大纲手术动物的数目(B)的摘要,莫rtality在24小时辱骂后,异常值(平均+/- 2 SD外梗死大小),和动物的数量包括为梗死面积的比较。 (C)的定量显示出平均32%的梗死的车辆组中的以及体积在0.5小时(至16%)显著减少梗死和1小时(20%)组(显示的是平均值和SEM对每个组)。的p值通过t-检验测定。 (D)代表从是由THI侮辱挑战,并获得TPA处理在伤后指定的时间点动物TTC染色脑。在TTC染色,活组织呈红色;梗塞组织呈苍白。

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Discussion

中风是不断增长的意义随着人口老龄化社会的任何一个主要的健康问题。从全球来看,中风是死亡的第二大原因与2010年估计590万死亡事件,相当于所有的死亡病例18 11.1%。脑卒中也是伤残调整生命年第三主要原因(伤残调整寿命)在2010年失去了全球,从第五位,1990年上升19这些流行病学数据突出的急性(缺血性)中风的更有效的治疗需要。然而,尽管大量研究在临床前的神经保护治疗,tPA的溶栓仍然急性缺血性中风是在美国批准的食品和药物管理局,而在动物研究中众多一旦有前途的神经保护剂没有在临床试验中,唯一的具体治疗。在翻译神经保护疗法入患者的困难有许多因素的影响,而在当前的重点是良好实验室PRACTICE,荟萃分析多个数据集,以及国际合作,以提高临床前研究中风20,21。然而,有一小部分的意见表明平移困难是由于不良的选择机械血管闭塞模型( 例如管腔内缝合MCA闭塞)中的多数临床前中风研究迄今为止2,3。由于机械血管闭塞模型很少诱发血栓形成和发生得太快时机械性梗阻释放脑灌注,这些车型既没有应对现实世界的治疗剂(tPA溶栓),也不提供治疗窗窄那些中风患者。因此,建议采取的措施是要强调,至少包括,在临床前研究中风3血栓栓塞性中风模型。

这项建议,但是,有其限制,因为目前血栓栓塞性中风模型(外源性栓子交付,MCA注射的Thrombin和photothrombosis)都具有一定的技术缺陷4。对于外源栓子模型,栓子导致在梗塞大小和位置显著变异性,以及不可预测的响应的tPA溶栓由于在凝块制备4,5-差异血管内输注。直接注射凝血酶到MCA分支,需要开颅,其效用优化溶栓治疗是尚未得到证实4,6。化学引发基于全身注射的光敏染料( 玫瑰红或赤藓红B)和照射通过暴露颅骨血栓往往产生血小板仅聚集体不响应溶栓4,7。两者合计,有需要的更简单和tPA的响应血栓模型的临床前中风研究。

该THI范式有四个独特的优势为血栓栓塞性中风模型。首先,THI侮辱挥起内源性组分以形成原位血栓无外源化学物质或预形成栓子的帮助。因此,血栓形成的THI模型是更相关的生理条件。其次,THI模型响应利于快速的tPA治疗(在0.5和1小时后的伤),但不向延迟处理(4小时)。此治疗窗口是类似于在中风患者中观察到。因此,THI模型可用于研究目的,以提高再灌注治疗急性缺血性卒中。第三,相对于线栓大脑中动脉闭塞模型在模型THI的手术过程简单明了。缺氧在THI模型的持续时间也可控制。这些属性使THI模型不容易受到不同实验室之间的程序上的差异。最后,THI模型可能揭示见解再灌注不全的机制,尽管大动脉溶栓再通后,这是在中风治疗一个独特的挑战时相比,心脏缺血1,22。因此,THI模型提供了一个独特的系统研究止血23的脑血管床的具体失调的机制。

所有实验性脑损伤模型有一定的局限性,而THI模型也不例外。在THI笔画模型的三大技术的限制已经确定了实验。首先,与其他卒中模型,其中损伤限于脑,缺氧和颈动脉阻塞的组合导致周围血管扩张和心脏输出12有更大的需求。因此,比较小鼠突变或对THI侮辱神经保护剂的作用时,其对心血管功能的影响也应仔细对比。第二,我们发现,不同小鼠近交品系具有可变响应的THI模型,这可能是由于后COMMUN不均匀通畅icating动脉24,异种心脏功能,或两者的组合。因此,建议将两个实验组之间的性别,年龄,体重,和小鼠品系是可比的神经保护研究。最后,THI行程依靠动物轻微麻醉状态下的低氧气体中呼吸。需要被最小化,并保持动物之间是一致的麻醉对行程结果的影响。尽管如此,只要研究人员警惕这些技术细节,并从动物到动物减少的变量,所述THI中风模型可以迅速建立,得到脑梗塞的高一致性。

总之,THI是响应毫不逊色于真实世界治疗剂(tPA溶栓)在临床相关的时间窗口一个简单的标准化中风模型。这种新的模式是一个有价值的除了临床前中风研究,可能有助于改善溶栓治疗急性缺血性中风。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
adult male mice Charles River C57BL/6  10-13 weeks old (22-30 g)
Mobile Laboratory Animal Anesthesia System VetEquip 901807 anesthesia
Medical air (Compressed) air tank Airgas UN1002 anesthesia
Isoflurane Piramal Healthcare NDC 66794-013-25 anesthesia
Multi-Station Lab Animal AnesthesiaSystem Surgivet V703501 hypoxia system
7.5% O2 balanced by 92.5% N2 tank Airgas UN1956 hypoxia system
Temperature Controller with heating lamp  Cole Parmer  EW-89000-10 temperature controllers
Rectal probe Cole Parmer  NCI-00141PG temperature controllers
Dissecting microscope  Olympus  SZ40 surgical setup
Heat pump with warming pad Gaymar  TP700 surgical setup
Fine curved forceps (serrated) FST 11370-31 surgical instrument
Fine curved forceps (smooth) FST 11373-12 surgical instrument
micro scissors FST 15000-03 surgical instrument
micro needle holders FST 12060-01 surgical instrument
Halsted-Mosquito hemostats FST 13008-12 surgical instrument
5-0 silk suture  Harvard Apparatus 624143 surgical supplies
4-0 Nylon monofilament suture LOOK 766B surgical supplies
Tissue glue Abbott Laboratories NC9855218 surgical supplies
Puralube Vet ointment Fisher NC0138063  eye dryness prevention 
MoorFLPI-2 blood flow imager Moor 780-nm laser source Laser Speckle Contrast Imaging
Mannitol Sigma M4125 in vivo TTC
2,3,5-triphenyltetrazolium chloride (TTC)  Sigma T8877 in vivo TTC
Vibratome Stoelting 51425 brain section for in vivo TTC 
Digital microscope Dino-Lite AM2111 whole-brain imaging
O.C.T compound Sakura Finetek 4583
goat anti-rabbit Alexa Fluro 488 Invitrogen A11008 Immunohistochemistry
Cryostat Vibratome ultrapro 5000 brain section for IHC
Evans blue Sigma E2129 Detecting vascular perfusion
Microtome Electron Microscopy Sciences 5000 brain section for histology
Avertin (2, 2, 2-Tribromoethanol) Sigma T48402 euthanasia
Fluorescent microscope Olympus DP73
Meloxicam SR ZooPharm NSAID analgesia

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References

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