Een effectief muismodel van unilaterale renale ischemie-reperfusieletsel
Summary
Renale ischemie-reperfusie letsel is geassocieerd met hoge morbiditeit en mortaliteit bij gehospitaliseerde patiënten. Hier presenteren we een eenvoudig en effectief muismodel van unilaterale renale ischemie-reperfusieletsel en geven we een sequentieel overzicht van representatieve pathologische veranderingen waargenomen in de nier.
Abstract
Ischemie-reperfusieletsel (IRI) is de belangrijkste oorzaak van acuut nierfalen en levert een belangrijke bijdrage aan vertraagde transplantaatfunctie. Diermodellen zijn de enige beschikbare middelen die de complexiteit van de IRI-geassocieerde schade in vivo nabootsen. Dit artikel beschrijft een effectief muismodel van unilaterale renale IRI dat zeer reproduceerbare gegevens levert. Ischemie wordt geïnduceerd door de rechter nierpedicula gedurende 30 minuten af te sluiten, gevolgd door reperfusie. Naast de chirurgische ingreep zal een sequentieel overzicht van de verwachte fysiologische en histopathologische veranderingen na renale IRI worden verstrekt door gegevens van zeven verschillende reperfusietijden (4 h, 8 h, 16 h, 1 dag, 2 dagen, 4 dagen en 7 dagen) te vergelijken. Kritieke gegevens voor het vooruit plannen van experimenten, zoals de gemiddelde chirurgische tijd, het gemiddelde anesthesieverbruik en veranderingen in het lichaamsgewicht in de loop van de tijd, zullen worden gedeeld. Dit werk zal onderzoekers helpen een betrouwbaar nier-IRI-model te implementeren en de juiste reperfusietijd te selecteren die overeenkomt met hun beoogde onderzoeksdoelen.
Introduction
De nieren behoren tot de hoogste geperfuseerde organen in het lichaam en zijn extreem gevoelig voor veranderingen in bloedperfusie1. Renale ischemie-reperfusieletsel (IRI) blijft de belangrijkste oorzaak van acuut nierfalen 2,3 en wordt geassocieerd met hoge morbiditeit en hoge mortaliteit bij gehospitaliseerde patiënten4. Met beperkte beschikbare therapeutische opties,4,5 is renale IRI momenteel de focus van verschillende onderzoeksinspanningen in de biogeneeskunde 6,7 gericht op de ontwikkeling van nieuwe therapeutische doelen en de karakterisering van vroege en gevoelige markers van nierbeschadiging 8,9,10 . Het identificeren van een betrouwbaar, tijd- en kosteneffectief diermodel wordt als essentieel beschouwd om aan deze behoeften te voldoen. Dit artikel presenteert een eenvoudig en effectief muismodel van unilaterale renale IRI. Ischemie wordt geïnduceerd door het klemmen van de rechter nierpedicula gedurende 30 min11,12. Een cruciaal onderdeel van dit model is het kiezen van de meest geschikte reperfusietijd die de pathologische gebeurtenissen van belang zal reproduceren, zoals tubulaire necrose, polymorfonucleaire ontstekingscelinfiltratie of fibrose. Daarom krijgen onderzoekers dit sequentiële overzicht van representatieve pathologische veranderingen die in de IRI-nier worden verwacht.
Protocol
Representative Results
Discussion
Renale IRI-modellen bij muizen zijn populair in biomedisch onderzoek vanwege hun relatief lage operationele kosten en de beschikbaarheid van diverse transgene modellen12. Het hier gepresenteerde unilaterale renale IRI-model bootst karakteristieke pathologische veranderingen na die zijn waargenomen bij humane renale IRI, zoals tubulaire dilatatie, necrose en fibrose13. Deze resultaten zijn gebaseerd op wisselende reperfusietijden.
Kritieke stappen van dit protocol omvatten het handhaven van een constante lichaamstemperatuur en de juiste plaatsing van de vasculaire klem in de nierpedikel. De lichaamstemperatuur beïnvloedt het metabolisme van het dier14, waardoor de experimentele resultaten zowel op fysiologisch als op cellulair niveau veranderen15. In dit model werd de lichaamstemperatuur vóór de operatie gestabiliseerd met behulp van rectale en padsensorsondes. Bovendien wordt continue controle van de lichaamstemperatuur tijdens de hele chirurgische procedure ten zeerste aanbevolen, vooral voordat de vasculaire klem wordt geplaatst om ischemie te induceren.
De blootstelling van de nier en de juiste plaatsing van de vasculaire klem zijn ook van cruciaal belang voor het succes van het experiment. Schade aan de niercapsule door onjuiste behandeling van de tang tijdens blootstelling van de nier door de chirurgische incisie zal leiden tot perirenale bloeding en ontsteking. De vasculaire klem moet op de nierpedikel worden geplaatst die de nierslagader en de nierader afsluit zonder de urineleider en de suprarenale slagaders te beïnvloeden. Cruciaal voor deze stap is de zorgvuldige dissectie van het vetweefsel rond het nier hilum14,16.
Dit model is kosten- en tijdbesparend. De anesthesieconsumptie per muis was 156,47 ± 37,88 μL (gemiddelde ± SD, n = 17) van een voorverwijde ketamine/xylazinecocktail (1:10 ketamine, 1:50 xylazine, in zoutoplossing; concentratie van de stamoplossing, beide 100 mg/ml). Chirurgie kan in een relatief korte periode worden uitgevoerd. De totale operatietijd per muis was 53 ± 5,23 min (gemiddelde ± SD, n = 17). Met getraind personeel kunnen meerdere operaties tegelijkertijd worden uitgevoerd. In onze groep voerde een ervaren onderzoeker de operatie uit totdat de klem uit de nierpedikel werd losgelaten, terwijl een tweede het overnam van het sluiten van de wond tot het herstel van de muis. Met deze aanpak waren we in staat om een groot aantal operaties op één dag uit te voeren. In dit model gebruikten we de dorsolaterale benadering, wat resulteert in minder trauma en minder vocht- en warmteverlies uit de buikholte in vergelijking met de middellijnbenadering16.
Eerder gepubliceerde protocollen hebben de renale pedikelklemtechniek beschreven om acute nierschade bij muizen te induceren 17,18,19. In die studies werd echter een contralaterale nefrectomie uitgevoerd naast de unilaterale IRI met ischemische tijden variërend van 15 tot 26 min. In dit protocol hebben we unilaterale ischemie gedurende 30 minuten geïnduceerd met behoud van de contralaterale nier. Dit resulteerde in een overlevingskans van 100%. Dit model is echter niet geschikt om azotemische nierschade op te wekken, deels als gevolg van het compenserende effect dat wordt uitgeoefend door de niet-chirurgisch ingegrepen contralaterale nier. Het onaangetast houden van één nier bij hetzelfde dier biedt echter het voordeel van het gebruik van langere ischemietijden met een hogere overlevingskans. Daarnaast kan de contralaterale nier worden gebruikt om mogelijke bijwerkingen van testgeneesmiddelen of behandelingen die tijdens de experimentele procedure worden toegepast te beoordelen en om nier-nieroverspraakeffecten te bestuderen20,21. Dit model is bijvoorbeeld nuttig geweest bij het aantonen van reactieve zuurstofsoort-geïnduceerde veranderingen op cellulair niveau, zowel in de IRI als in de contralaterale, niet-chirurgisch ingegrepen nier11.
Dit model heeft een potentiële toepassing in studies die gericht zijn op het identificeren en karakteriseren van markers van unilaterale nierschade, renale overspraakeffecten, post-renale IRI-geïnduceerde hemodynamische veranderingen en potentiële nefrotoxische effecten van kandidaat-geneesmiddelen voor gebruik bij renale IRI. Deze gedetailleerde beschrijving van de belangrijkste pathologische veranderingen dient als een waardevol hulpmiddel om de meest geschikte tijd te selecteren om specifieke cellulaire processen te bestuderen, van ontsteking en necrose (4 uur tot 2 dagen) tot regeneratie (4 dagen) en fibrose (7 dagen en later).
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Een deel van het werk in dit artikel is opgericht door het Center of Integrative Mammalian Research van Ross University School of Veterinary Medicine (RUSVM), Saint Kitts en Nevis. De financiële hulp van het Department of Veterinary Biomedical Sciences van Long Island University College of Veterinary Medicine wordt zeer op prijs gesteld.
Materials
| Atipamezole hydrochloride | Penn Veterinary Supply, Inc., PA, USA | PVS8700 | 5 mg/mL |
| Buprenorphine | Penn Veterinary Supply, Inc., PA, USA | PRMBURPEN22 | 0.3 mg/mL |
| Commercial euthanasia solution | various suppliers | na | e.g., Euthasol Virbac (sodium pentobarbital 390 mg/mL + sodium phenytoin 50 mg/mL) |
| Eye ointment Puralube | Dechra Veterinary Products, KS, USA | na | 3.5 g (1/8 oz) |
| Heating pad RightTempJr | Kent Scientific, CT, USA | RT-JR-20 | Consider the one with two temperature probes |
| Ketamine hydrochloride | Penn Veterinary Supply, Inc., PA, USA | VED1220 | 100 mg/ml |
| S&T Vascular clamp | Fine Science Tools, Inc., Germany | 00398-02 | Jaw dimensions: 5.5 x 1.5 mm; length: 11 mm |
| Sterile Disposable Towel Drapes | Kent Scientific, CT, USA | SURGI-5023-3 | Disposable, individualy packed |
| Surgical instruments (Graefe forceps, Halsted-Mosquito hemostat, scissors, etc) | Fine Science Tools, Inc., Germany | Various | Consider the extra fine straight scissor and the angled Graefe forceps |
| Vicryl suture | Ethicon US, LLC | J493G | Size 5-0 |
| Xylazine hydrochloride | Penn Veterinary Supply, Inc., PA, USA | VAM4821 | 100 mg/mL |
Referenzen
- Ray, S. C., Mason, J., O’Connor, P. M. Ischemic renal injury: can renal anatomy and associated vascular congestion explain why the medulla and not the cortex is where the trouble starts. Seminars in Nephrology. 39 (6), 520-529 (2019).
- Weight, S. C., Bell, P. R., Nicholson, M. L. Renal ischaemia–reperfusion injury. The British Journal of Surgery. 83 (2), 162-170 (1996).
- Ratliff, B. B., Abdulmahdi, W., Pawar, R., Wolin, M. S. Oxidant mechanisms in renal injury and disease. Antioxidants & Redox Signaling. 25 (3), 119-146 (2016).
- Schrier, R. W., Wang, W., Poole, B., Mitra, A. Acute renal failure: definitions, diagnosis, pathogenesis, and therapy. The Journal of Clinical Investigation. 114 (1), 5-14 (2004).
- Fernández, A. R., Sánchez-Tarjuelo, R., Cravedi, P., Ochando, J., López-Hoyos, M. Review: Ischemia reperfusion injury-a translational perspective in organ transplantation. International Journal of Molecular Sciences. 21 (22), 8549 (2020).
- Wu, C. -. L., et al. Tubular peroxiredoxin 3 as a predictor of renal recovery from acute tubular necrosis in patients with chronic kidney disease. Scientific Reports. 7 (1), 43589 (2017).
- Nishida, K., et al. Systemic and sustained thioredoxin analogue prevents acute kidney injury and its-associated distant organ damage in renal ischemia reperfusion injury mice. Scientific Reports. 10 (1), 20635 (2020).
- Mishra, J., et al. Neutrophil gelatinase-associated lipocalin (NGAL) as a biomarker for acute renal injury after cardiac surgery. Lancet. 365 (9466), 1231-1238 (2005).
- Han, W. K., Bailly, V., Abichandani, R., Thadhani, R., Bonventre, J. V. Kidney injury molecule-1 (KIM-1): A novel biomarker for human renal proximal tubule injury. Kidney International. 62 (1), 237-244 (2002).
- Coca, S. G. Kidney injury biomarkers with clinical utility: has Godot finally arrived. American Journal of Nephrology. 50 (5), 357-360 (2019).
- Godoy, J. R., et al. Segment-specific overexpression of redoxins after renal ischemia and reperfusion: protective roles of glutaredoxin 2, peroxiredoxin 3, and peroxiredoxin 6. Free Radical Biology & Medicine. 51 (2), 552-561 (2011).
- Wei, Q., Dong, Z. Mouse model of ischemic acute kidney injury: technical notes and tricks. American Journal of Physiology – Renal Physiology. 303 (11), 1487-1494 (2012).
- Gaut, J. P., Liapis, H. Acute kidney injury pathology and pathophysiology: a retrospective review. Clinical Kidney Journal. 14 (2), 526-536 (2021).
- Le Clef, N., Verhulst, A., D’Haese, P. C., Vervaet, B. A. Unilateral renal ischemia-reperfusion as a robust model for acute to chronic kidney injury in mice. PLoS One. 11 (3), 0152153 (2016).
- Pelkey, T. J., et al. Minimal physiologic temperature variations during renal ischemia alter functional and morphologic outcome. Journal of Vascular Surgery. 15 (4), 619-625 (1992).
- Kennedy, S. E., Erlich, J. H. Murine renal ischaemia-reperfusion injury. Nephrology. 13 (5), 390-396 (2008).
- Skrypnyk, N. I., Harris, R. C., de Caestecker, M. P. Ischemia-reperfusion model of acute kidney injury and post injury fibrosis in mice. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (78), e50495 (2013).
- Hesketh, E. E., et al. Renal ischaemia reperfusion injury: a mouse model of injury and regeneration. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (88), e51816 (2014).
- Wei, J., et al. New mouse model of chronic kidney disease transitioned from ischemic acute kidney injury. American Journal of Physiology. Renal Physiology. 317 (2), 286-295 (2019).
- Basile, D. P., Leonard, E. C., Tonade, D., Friedrich, J. L., Goenka, S. Distinct effects on long-term function of injured and contralateral kidneys following unilateral renal ischemia-reperfusion. American Journal of Physiology – Renal Physiology. 302 (5), 625-635 (2012).
- Polichnowski, A. J., et al. Pathophysiology of unilateral ischemia-reperfusion injury: importance of renal counterbalance and implications for the AKI-CKD transition. American Journal of Physiology. Renal Physiology. 318 (5), 1086-1099 (2020).
