Summary

Pre-chiasmatische, enkele injectie van autoloog bloed om experimentele subarachnoïdale bloeding in een rattenmodel te induceren

Published: June 18, 2021
doi:

Summary

Subarachnoïdale bloeding blijft een hoge last van mortaliteit en morbiditeit bij de mens met zich meebrengen. Om verder onderzoek naar de aandoening en de pathofysiologie ervan te vergemakkelijken, wordt een pre-chiasmatisch, enkelvoudig injectiemodel gepresenteerd.

Abstract

Ondanks de vooruitgang in de behandeling in de afgelopen decennia, blijft subarachnoïdale bloeding (SAH) een hoge last van morbiditeit en mortaliteit met zich meebrengen, grotendeels een vrij jonge bevolking treffend. Verschillende diermodellen van SAH zijn ontwikkeld om de pathofysiologische mechanismen achter SAH te onderzoeken en farmacologische interventies te testen. Het pre-chiasmatische, enkele injectiemodel bij de rat dat in dit artikel wordt gepresenteerd, is een experimenteel model van SAH met een vooraf bepaald bloedvolume. Kortom, het dier wordt verdoofd, geïntubeerd en onder mechanische ventilatie gehouden. De temperatuur wordt geregeld met een verwarmingskussen. Een katheter wordt in de staartslagader geplaatst, waardoor continue bloeddrukmeting en bloedafname mogelijk is. Het atlantooccipitale membraan wordt ingesneden en een katheter voor drukregistratie wordt in de cisterna magna geplaatst om intracerebrale drukmeting mogelijk te maken. Deze katheter kan ook worden gebruikt voor intrathecale therapeutische interventies. De rat wordt in een stereotaxisch frame geplaatst, een braamgat wordt anterieur naar de bregma geboord en een katheter wordt door het braamgat ingebracht en net voor het optische chiasma geplaatst. Autoloog bloed (0,3 ml) wordt uit de staartkatheter gehaald en handmatig geïnjecteerd. Dit resulteert in een stijging van de intracerebrale druk en een afname van de cerebrale bloedstroom. Het dier wordt gedurende 30 minuten verdoofd gehouden en krijgt onderhuidse zoutoplossing en pijnstillers. Het dier wordt geëxtubeerd en teruggebracht naar zijn kooi. Het pre-chiasmatische model heeft een hoge reproduceerbaarheidssnelheid en beperkte variatie tussen dieren vanwege het vooraf bepaalde bloedvolume. Het bootst SAH bij mensen na, waardoor het een relevant model is voor SAH-onderzoek.

Introduction

Niet-traumatische subarachnoïdale bloeding (SAH) is een vorm van beroerte, die ongeveer 5% van alle gevallen vertegenwoordigt. De meest voorkomende oorzaak van niet-traumatische SAH is de plotselinge breuk van een aneurysma (aSAH), dat goed is voor 85% van de SAHs. Andere oorzaken zijn de breuk van een arterio-veneuze malformatie, coagulopathieën en scheuring van aderen bij perimesencefale bloeding1. De incidentie is 9 per 100.000 persoonsjaren met sterfte rond een op de drie en nog eens een derde die de ondersteuning van het dagelijks leven nodig heeft na SAH 2,3.

Na de eerste stabilisatie en bevestiging van de diagnose hangt de behandeling af van de ernst van de bloeding. De zwaarst getroffen patiënten krijgen een extra-ventriculaire drain ingebracht in de ventrikels om de intracerebrale druk (ICP) te verminderen en worden opgenomen op de neurointensieve zorgafdeling, waar ze nauwlettend worden gevolgd. Patiënten zullen een angiografie ondergaan om het (waarschijnlijke) aneurysma te identificeren en daarna het aneurysma laten oprollen of knippen om rebloeding te voorkomen4. Ondanks talrijke onderzoeken naar farmacologische therapieën, heeft alleen nimodipine, een calciumkanaalantagonist, aangetoond de resultaten te verbeteren5. Meerdere klinische onderzoeken zijn momenteel aan de gang. Zie de review van Daou en collega’s voor een uitgebreide lijst6.

De breuk van een aneurysma is beschreven als het plotselinge begin van de ergste hoofdpijn ooit ervaren of een donderslag hoofdpijn. De breuk resulteert in een sterke stijging van de ICP gevolgd door een vermindering van de cerebrale bloedstroom (CBF). Deze vermindering resulteert in globale ischemie van de hersenen, wat kan resulteren in een verlies van bewustzijn. Deze meer mechanistische route, samen met de geïnitieerde afbraak van de geëxtravaseerde elementen van bloed, geeft aanleiding tot cytokine-afgifte en activering van het aangeboren immuunsysteem, wat resulteert in steriele neuro-inflammatie. Bovendien wordt vaak afbraak van de bloed-hersenbarrière, resulterend in hersenoedeem en verstoring van de ionhomeostase, waargenomen. Al deze veranderingen en meer, bedacht vroeg hersenletsel (EBI), treden op binnen de eerste paar dagen en resulteren in neuronaal verlies en apoptose7.

Ongeveer 1/3 van de patiënten met aSAH zal tussen dag 4-14 8 vertraagde cerebrale ischemie (DCI)ontwikkelen. DCI wordt gedefinieerd als het debuut van een focale, neurologische stoornis of een daling van minimaal twee punten op de Glasgow-comaschaal die minimaal 1 uur duurt, wanneer andere oorzaken, waaronder epileptische aanvallen en herbloedingen, zijn uitgesloten. DCI is geassocieerd met een verhoogd risico op overlijden en verminderde functionele uitkomst na aSAH9. Cerebraal vasospasme (CVS), de vernauwing van de hersenslagaders, is al tientallen jaren bekend als geassocieerd met DCI en werd voorheen beschouwd als de enige reden voor DCI. Sindsdien is aangetoond dat CVS kan optreden zonder de ontwikkeling van DCI en meer factoren, waaronder microvasculaire trombose en vernauwing, corticale verspreidende depressie en een ontstekingsreactie van EBI zijn sindsdien geïdentificeerd10,11,12.

Vanwege de grote invloed van EBI en DCI op het verloop van de ziekte en de uitkomst van de getroffen patiënten, moeten diermodellen deze in de grootst mogelijke mate nabootsen, terwijl ze nog steeds reproduceerbaar zijn. Onderzoekers hebben een breed scala aan verschillende modellen gebruikt bij een verscheidenheid aan dieren, van muizen tot niet-menselijke primaten, om te proberen aSAH te simuleren. Sprague-Dawley en Wistar wildtype ratten zijn momenteel de meest gebruikte proefdieren, en de meest voorkomende modellen zijn het endovasculaire perforatiemodel, het cisterna-magna dubbele injectiemodel en ten slotte het pre-chiasmatische model met enkele injectie, dat in dit artikel13 zal worden beschreven.

Het pre-chiasmatische, enkele injectiemodel werd oorspronkelijk ontwikkeld door Prunell en collega’s om enkele van de tekortkomingen van de andere experimentele modellen tegen te gaan14. De operatie, wanneer onder de knie, is zeer reproduceerbaar en minimaliseert variatie tussen dieren. Het model bootst SAH bij mensen op meerdere punten na, waaronder de plotselinge stijging van ICP na de injectie van bloed, resulterend in voorbijgaande globale ischemie als gevolg van een daling van de CBF15,16. Het beïnvloedt de voorste circulatie, waar de meeste aSAH bij mensen voorkomen17. De mortaliteit varieert van 10%-33% afhankelijk van het onderzoek en de hoeveelheid geïnjecteerd bloed14,18. Vertraagde celdood en neuro-inflammatie kunnen op dag 2 en 7 worden gedetecteerd en bieden daarmee variabelen om de gevolgen van EBI en DCI 19,20 te bestuderen.

De studie presenteert een bijgewerkte beschrijving van het pre-chiasmatische model voor één injectie bij de rat, samen met een beschrijving van hoe de ICP-sonde kan worden gebruikt als een poort voor intrathecale toediening van farmaceutische producten.

Protocol

Deze procedure wordt uitgevoerd in overeenstemming met de Richtlijn 2010/63/EU van de Europese Unie betreffende de bescherming van dieren die voor wetenschappelijke doeleinden worden gebruikt en is goedgekeurd door de Deense inspectie voor dierproeven (licentienummer 2016-15-0201-00940). Chirurgie wordt uitgevoerd met behulp van aseptische techniek in de breedst mogelijke mate, met inbegrip van steriele instrumenten, handschoenen, katheters en hechtingen. De studie gebruikte mannelijke en vrouwelijke Sprague-Dawley-ratte…

Representative Results

Vrouwen hebben een verhoogd risico op aSAH in vergelijking met mannen. Desondanks worden mannelijke knaagdieren voornamelijk gebruikt in experimenten vanwege mogelijke vertekening van heterogeniteit van de oestruscyclus bij vrouwen. De representatieve resultaten die hier worden gepresenteerd, zijn afkomstig van een recente publicatie waarin vrouwelijke en mannelijke ratten worden vergeleken, wat bevestigt dat het model vergelijkbare resultaten oplevert bij vrouwelijke dieren in vergelijking met mannelijke<sup class="xref…

Discussion

Het pre-chiasmatische single injection model van SAH bootst verschillende belangrijke elementen van menselijke SAH na, waaronder de piek in ICP, reductie van CBF, voorbijgaande globale ischemie, upregulatie van neuro-inflammatoire markers en CVS 14,15,16,18,19,20. De ICP-sonde werd ook gebruikt als poort voor intrathecale toe…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Het werk werd ondersteund door de Lundbeck Foundation en de Lundbeck Grant of Excellence (nr. R59-A5404). Financiers hadden geen rol in enig deel van het manuscript.

Materials

16 G peripheral vein catheter BD Venflon 393229 Needle shortened, distal 1 cm curved. Wings removed
Anesthesia bell/ chamber Unknown
Blood gas analyzer Radiometer ABL80
Blood pressure (BP) monitor Adinstruments ML117 Connects to Powerlab
Curved forceps, 12 cm x 3 F.S.T 11001-12 For anesthesia
Cylindrical pillow, 28 cm x 4 cm Homemade Made from surgical towels
Data acquisition hardware Adinstruments ML870 Powerlab
Data acquistion software Adinstruments LabChart 6.0
Drill KMD 1189
Drill controller Silfradent 300 IN
Flexible light Schott KL200
Heating pad Minco 1135
Hypodermic needle, 20 G KD Medical 301300 Connects to stereotaxic frame
ICP monitor Adinstruments ML117 Connects to Powerlab
Isoflurane vaporizer Ohmeda TEC3
Laptop Lenovo T410
Laser doppler monitor Adinstruments ML191
Laser doppler probe Oxford Optronics MSF100XP Connects to laser doppler monitor
Needle holder, 13 cm F.S.T 12001-13 For anesthesia
Precision syringe, 0.025 mL Hamilton 547407
Stereotaxic frame Kopf Instruments M900
Surgical microscope Carl Zeiss F170
Suture needle Allgaier 1245 For anesthesia
Temperaure controller CWE,INC. TC-1000
Transducer x 2 Adinstruments MLT0699 Connects to BP and ICP monitor
Ventilator Ugo Basile 7025
Veterinary clipper Aesculap GT421
3-pronged Blair retractor, 13.5 cm Agnthos 17022–13
Blunt Alm retractor F.S.T 17008-07
Curved forceps, 12 cm x 2 F.S.T 11001-12
Needle holder, 13 cm F.S.T 12001-13
Straight Dumont forceps, 11 cm F.S.T 11252-00
Straight Halsted-Mosquito hemostat x 2 F.S.T 13008-12
Straight Iris scissor, 9 cm F.S.T 14090-09
Straight Vannas scissor, 10.5 cm F.S.T 15018-10
Absorpable swabs Kettenbach 31603
Black silk thread, 4-0, 5 x 15 cm Vömel 14757
Bone wax Aesculap 1029754
Carbomer eye gel 2 mg/g Paranova
Cotton swab Heinz Herenz WA-1
Cotton tipped applicator x 4 Selefa 120788
Hypodermic needle, 23 G x2 KD Medical 900284 Connects to stopcock. Remove distal end
Hypodermic needle, 23 G x3 KD Medical 900284 Remove distal end. 2 connects to stopcock, 1 to syringe
ICP probe: Homemade Made of the following:
Polythene tubing, 20 mm Smiths medical 800/100/200 Inner diameter (ID): 0.58 mm, Outer diameter (OD): 0.96 mm.
Silicone tubing, 10 mm Fisher 15202710 ID: 0.76 mm, OD: 2.4 mm.
Silicone tubing, 2 mm Fisher 11716513 ID: 1.0 mm, OD: 3.0 mm.
Micro hematocrit tubes Brand 7493 11
OP-towel, 45 cm x75 cm Mölnlycke 800430
PinPort adapter, 22 G Instech PNP3F22
PinPort injector Instech PNP3M
Polythene tubing, 2 x 20 cm Smiths medical 800/100/200 Connects to syringe. ID: 0.58 mm, OD: 0.96 mm.
Rubberband Unknown
Scalpel, 10 blade Kiato 23110
Spinalneedle, 25 G x 3.5'' Braun 5405905-01
Stopcock system, Discofix x 2 Braun 16494C Connects to transducer
Suture, 4-0, monofil, non-resorbable x 3 Ethicon EH7145H
Syringe, 1 mL BD Plastipak 1710023
Syringe, luer-lock, 10 mL x 4 BD Plastipak 305959 Connects to transducer
Tissue adhesive glue 3M 1469SB
0.5% Chlorhexidine spirit Faaborg Pharma 210918
Carprofen 50 mg/mL ScanVet 43715 Diluted 1:10
Isoflurane Baxter
Isotonic saline Amgros 16404
Lidocaine-Adrenaline 10 mg/5 µg/mL Amgros 16318

References

  1. van Gijn, J., Kerr, R. S., Rinkel, G. J. Subarachnoid haemorrhage. Lancet. 369 (9558), 306-318 (2007).
  2. de Rooij, N. K., Linn, F. H. H., vander Plas, J. A., Algra, A., Rinkel, G. J. E. Incidence of subarachnoid haemorrhage: a systematic review with emphasis on region, age, gender and time trends. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 78 (12), 1365-1372 (2007).
  3. Feigin, V. L., Lawes, C. M., Bennett, D. A., Barker-Collo, S. L., Parag, V. Worldwide stroke incidence and early case fatality reported in 56 population-based studies: a systematic review. The Lancet, Neurology. 8 (4), 355-369 (2009).
  4. Maher, M., Schweizer, T. A., Macdonald, R. L. Treatment of spontaneous subarachnoid hemorrhage: guidelines and gaps. Stroke. 51 (4), 1326-1332 (2020).
  5. Pickard, J. D., et al. Effect of oral nimodipine on cerebral infarction and outcome after subarachnoid haemorrhage: British aneurysm nimodipine trial. British Medical Journal (Clinical Research ed.). 298 (6674), 636-642 (1989).
  6. Daou, B. J., Koduri, S., Thompson, B. G., Chaudhary, N., Pandey, A. S. Clinical and experimental aspects of aneurysmal subarachnoid hemorrhage. CNS Neuroscience and Therapeutics. 25 (10), 1096-1112 (2019).
  7. Fujii, M., et al. Early brain injury, an evolving frontier in subarachnoid hemorrhage research. Translational Stroke Research. 4 (4), 432-446 (2013).
  8. Roos, Y. B., et al. Complications and outcome in patients with aneurysmal subarachnoid haemorrhage: A prospective hospital based cohort study in the Netherlands. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 68 (3), 337-341 (2000).
  9. Vergouwen, M. D. I., et al. Definition of delayed cerebral ischemia after aneurysmal subarachnoid hemorrhage as an outcome event in clinical trials and observational studies: proposal of a multidisciplinary research group. Stroke. 41 (10), 2391-2395 (2010).
  10. Brown, R. J., Kumar, A., Dhar, R., Sampson, T. R., Diringer, M. N. The relationship between delayed infarcts and angiographic vasospasm after aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Neurosurgery. 72 (5), 702-707 (2013).
  11. Dhar, R., et al. Relationship between angiographic vasospasm and regional hypoperfusion in aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Stroke. 43 (7), 1788-1794 (2012).
  12. Macdonald, R. L. Delayed neurological deterioration after subarachnoid haemorrhage. Nature Reviews. Neurology. 10 (1), 44-58 (2014).
  13. Marbacher, S., et al. Systematic review of in vivo animal models of subarachnoid hemorrhage: species, standard parameters, and outcomes. Translational Stroke Research. 10 (3), 250-258 (2019).
  14. Prunell, G. F., Mathiesen, T., Svendgaard, N. -. A. A new experimental model in rats for study of the pathophysiology of subarachnoid hemorrhage. Neuroreport. 13 (18), 2553-2556 (2002).
  15. Prunell, G. F., Mathiesen, T., Diemer, N. H., Svendgaard, N. A. Experimental subarachnoid hemorrhage: subarachnoid blood volume, mortality rate, neuronal death, cerebral blood flow, and perfusion pressure in three different rat models. Neurosurgery. 52 (1), 165-176 (2003).
  16. Prunell, G. F., et al. Experimental Subarachnoid Hemorrhage: Cerebral blood flow and brain metabolism during the acute phase in three different models in the rat. Neurosurgery. 54 (2), 426-437 (2004).
  17. Velthuis, B. K., et al. Subarachnoid hemorrhage: Aneurysm detection and preoperative evaluation with CT angiography. Radiology. 208 (2), 423-430 (1998).
  18. Leclerc, J. L., et al. A comparison of pathophysiology in humans and rodent models of subarachnoid hemorrhage. Frontiers in Molecular Neuroscience. 11, 71 (2018).
  19. Prunell, G. F., Svendgaard, N. A., Alkass, K., Mathiesen, T. Inflammation in the brain after experimental subarachnoid hemorrhage. Neurosurgery. 56 (5), 1082-1091 (2005).
  20. Prunell, G. F., Svendgaard, N. A., Alkass, K., Mathiesen, T. Delayed cell death related to acute cerebral blood flow changes following subarachnoid hemorrhage in the rat brain. Journal of Neurosurgery. 102 (6), 1046-1054 (2005).
  21. Spray, S., Haanes, K. A., Edvinsson, L., Johansson, S. E. Subacute phase of subarachnoid haemorrhage in female rats: increased intracranial pressure, vascular changes and impaired sensorimotor function. Microvascular Research. 135, 104127 (2020).
  22. Ansar, S., Vikman, P., Nielsen, M., Edvinsson, L. Cerebrovascular ETB, 5-HT1B, and AT1 receptor upregulation correlates with reduction in regional CBF after subarachnoid hemorrhage. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 293 (6), 3750-3758 (2007).
  23. Hansen-Schwartz, J., et al. Subarachnoid hemorrhage enhances endothelin receptor expression and function in rat cerebral arteries. Neurosurgery. 52 (5), 1188-1194 (2003).
  24. Hayman, E. G., Wessell, A., Gerzanich, V., Sheth, K. N., Simard, J. M. Mechanisms of global cerebral edema formation in aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Neurocritical Care. 26 (2), 301-310 (2017).
  25. Miyata, H., et al. Vasa vasorum formation is associated with rupture of intracranial aneurysms. Journal of Neurosurgery. , 1-11 (2019).
  26. Tada, Y., et al. Roles of hypertension in the rupture of intracranial aneurysms. Stroke. 45 (2), 579-586 (2014).
  27. Nuki, Y., et al. Elastase-induced intracranial aneurysms in hypertensive mice. Hypertension. 54 (6), 1337-1344 (1979).
  28. Marbacher, S., Wanderer, S., Strange, F., Grüter, B. E., Fandino, J. Saccular aneurysm models featuring growth and rupture: A systematic review. Brain Sciences. 10 (2), 101 (2020).
  29. Altay, O., et al. Isoflurane on brain inflammation. Neurobiology of Disease. 62, 365-371 (2014).
  30. Hockel, K., Trabold, R., Schöller, K., Török, E., Plesnila, N. Impact of anesthesia on pathophysiology and mortality following subarachnoid hemorrhage in rats. Experimental and Translational Stroke Medicine. 4 (1), 5 (2012).
  31. Kamp, M. A., et al. A Systematic and meta-analysis of mortality in experimental mouse models analyzing delayed cerebral ischemia after subarachnoid hemorrhage. Translational Stroke Research. 8 (3), 206-219 (2017).
  32. Povlsen, G. K., Johansson, S. E., Larsen, C. C., Samraj, A. K., Edvinsson, L. Early events triggering delayed vasoconstrictor receptor upregulation and cerebral ischemia after subarachnoid hemorrhage. BMC Neuroscience. 14, 34 (2013).

Play Video

Cite This Article
Bömers, J. P., Johansson, S. E., Edvinsson, L., Mathiesen, T. I., Haanes, K. A. Pre-Chiasmatic, Single Injection of Autologous Blood to Induce Experimental Subarachnoid Hemorrhage in a Rat Model. J. Vis. Exp. (172), e62567, doi:10.3791/62567 (2021).

View Video