Modello murino di arresto cardiaco per l'imaging cerebrale e il monitoraggio della fisiologia cerebrale durante l'ischemia e la rianimazione
Summary
Questo protocollo dimostra un modello murino unico di arresto cardiaco per asfissia che non richiede compressione toracica per la rianimazione. Questo modello è utile per il monitoraggio e l’imaging delle dinamiche della fisiologia cerebrale durante l’arresto cardiaco e la rianimazione.
Abstract
La maggior parte dei sopravvissuti all’arresto cardiaco (CA) sperimenta vari gradi di deficit neurologici. Per comprendere i meccanismi che sono alla base del danno cerebrale indotto da CA e, successivamente, sviluppare trattamenti efficaci, la ricerca sperimentale sulla CA è essenziale. A tal fine, sono stati stabiliti alcuni modelli di CA del topo. Nella maggior parte di questi modelli, i topi vengono posti in posizione supina per eseguire la compressione toracica per la rianimazione cardiopolmonare (RCP). Tuttavia, questa procedura di rianimazione rende difficile l’imaging/monitoraggio in tempo reale della fisiologia cerebrale durante la CA e la rianimazione. Per ottenere tali conoscenze critiche, il presente protocollo presenta un modello murino di CA per asfissia che non richiede la fase di RCP di compressione toracica. Questo modello consente lo studio dei cambiamenti dinamici nel flusso sanguigno, nella struttura vascolare, nei potenziali elettrici e nell’ossigeno del tessuto cerebrale dal basale pre-CA alla riperfusione post-CA precoce. È importante sottolineare che questo modello si applica ai topi anziani. Pertanto, questo modello murino di CA dovrebbe essere uno strumento fondamentale per decifrare l’impatto della CA sulla fisiologia del cervello.
Introduction
L’arresto cardiaco (CA) rimane una crisi di salute pubblica globale1. Solo negli Stati Uniti vengono segnalati ogni anno più di 356.000 casi di CA extraospedaliera e 290.000 casi di CA in ospedale e la maggior parte delle vittime di CA ha più di 60 anni. In particolare, le compromissioni neurologiche post-CA sono comuni tra i sopravvissuti e rappresentano una sfida importante per la gestione della CA 2,3,4,5. Per comprendere i cambiamenti patologici cerebrali post-CA e i loro effetti sugli esiti neurologici, sono state applicate varie tecniche di monitoraggio neurofisiologico e del tessuto cerebrale nei pazienti 6,7,8,9,10,11,12. Utilizzando la spettroscopia nel vicino infrarosso, il monitoraggio cerebrale in tempo reale è stato eseguito anche nei ratti CA per prevedere gli esiti neurologici13.
Tuttavia, nei modelli murini di CA, tale approccio di imaging è stato complicato dalla necessità di compressioni toraciche per ripristinare la circolazione spontanea, che comporta sempre un notevole movimento fisico e, quindi, ostacola delicate procedure di imaging. Inoltre, i modelli di CA vengono normalmente eseguiti con topi in posizione supina, mentre i topi devono essere girati in posizione prona per molte modalità di imaging cerebrale. Pertanto, in molti casi è necessario un modello murino con un movimento minimo del corpo durante l’intervento chirurgico per eseguire l’imaging/monitoraggio in tempo reale del cervello durante l’intera procedura CA, che va dal pre-CA al post-rianimazione.
In precedenza, Zhang et al. hanno riportato un modello di CA murino che potrebbe essere utile per l’imaging cerebrale14. Nel loro modello, la CA è stata indotta da iniezioni in bolo di vecuronio ed esmololo seguite dalla cessazione della ventilazione meccanica. Hanno dimostrato che dopo 5 minuti di CA, la rianimazione potrebbe essere ottenuta infondendo una miscela di rianimazione. In particolare, tuttavia, l’arresto circolatorio nel loro modello si è verificato solo circa 10 secondi dopo l’iniezione di esmololo. Pertanto, questo modello non ricapitola la progressione della CA indotta da asfissia nei pazienti, compresa l’ipercapnia e l’ipossia tissutale durante il periodo pre-arresto.
L’obiettivo generale dell’attuale procedura chirurgica è quello di modellare l’asfissia clinica CA nei topi seguita da rianimazione senza compressioni toraciche. Questo modello di CA, quindi, consente l’uso di tecniche di imaging complesse per studiare la fisiologia del cervello nei topi15.
Protocol
Representative Results
Discussion
Negli studi sperimentali di CA, l’asfissia, le iniezioni di cloruro di potassio o la fibrillazione ventricolare derivata da corrente elettrica sono state utilizzate per indurre CA 16,17,18,19,20,21,22,23. Normalmente, la RCP è necessaria per la rianimazion…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano Kathy Gage per il suo supporto editoriale. Questo studio è stato supportato da fondi del Dipartimento di Anestesiologia (Duke University Medical Center), dalla sovvenzione dell’American Heart Association (18CSA34080277) e dalle sovvenzioni del National Institutes of Health (NIH) (NS099590, HL157354, NS117973 e NS127163).
Materials
| 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 |
Riferimenti
- Smith, A., Masters, S., Ball, S., Finn, J. The incidence and outcomes of out-of-hospital cardiac arrest in metropolitan versus rural locations: A systematic review and meta-analysis. Resuscitation. 185, 109655 (2022).
- Amacher, S. A., et al. Predicting neurological outcome in adult patients with cardiac arrest: systematic review and meta-analysis of prediction model performance. Critical Care. 26 (1), 382 (2022).
- Matsuyama, T., Ohta, B., Kiyohara, K., Kitamura, T. Intra-arrest partial carbon dioxide level and favorable neurological outcome after out-of-hospital cardiac arrest: A nationwide multicenter observational study in Japan (the JAAM-OHCA registry). European Heart Journal of Acute Cardiovascular Care. 12 (1), 14-21 (2023).
- Takahagi, M., Sawano, H., Moriyama, T. Long-term neurological outcome of extracorporeal cardiopulmonary resuscitation for out-of-hospital cardiac arrest patients with nonshockable rhythms: A single-center, consecutive, retrospective observational study. The Journal of Emergency Medicine. 63 (3), 367-375 (2022).
- Mork, S. R., Botker, M. T., Christensen, S., Tang, M., Terkelsen, C. J. Survival and neurological outcome after out-of-hospital cardiac arrest treated with and without mechanical circulatory support. Resuscition Plus. 10, 100230 (2022).
- Koenig, M. A., Kaplan, P. W., Thakor, N. V. Clinical neurophysiologic monitoring and brain injury from cardiac arrest. Neurologic Clinics. 24 (1), 89-106 (2006).
- Cavazzoni, E., Schibler, A. Monitoring of brain tissue oxygen tension and use of vasopressin after cardiac arrest in a child with catecholamine-induced cardiac arrhythmia. Critical Care & Resuscitation. 10 (4), 316-319 (2008).
- Topjian, A. A., et al. Multimodal monitoring including early EEG improves stratification of brain injury severity after pediatric cardiac arrest. Resuscitation. 167, 282-288 (2021).
- Beekman, R., et al. Bedside monitoring of hypoxic ischemic brain injury using low-field, portable brain magnetic resonance imaging after cardiac arrest. Resuscitation. 176, 150-158 (2022).
- Sinha, N., Parnia, S. Monitoring the brain after cardiac arrest: A new era. Current Neurology Neuroscience Report. 17 (8), 62 (2017).
- Reis, C., et al. Pathophysiology and the monitoring methods for cardiac arrest associated brain injury. International Journal of Molecular Sciences. 18 (1), 129 (2017).
- Zhou, H., Lin, C., Liu, J., Wang, X. Continuous monitoring of brain perfusion by cerebral oximetry after spontaneous return of circulation in cardiac arrest: A case report. BMC Neurology. 22 (1), 365 (2022).
- Takegawa, R., et al. Real-time brain monitoring by near-infrared spectroscopy predicts neurological outcome after cardiac arrest and resuscitation in rats: A proof of concept study of a novel prognostic measure after cardiac arrest. Journal Clinical Medicine. 11 (1), 131 (2021).
- Zhang, C., et al. Invasion of peripheral immune cells into brain parenchyma after cardiac arrest and resuscitation. Aging and Disease. 9 (3), 412-425 (2018).
- Duan, W., et al. Cervical vagus nerve stimulation improves neurologic outcome after cardiac arrest in mice by attenuating oxidative stress and excessive autophagy. Neuromodulation. 25 (3), 414-423 (2022).
- Liu, H., et al. Novel modification of potassium chloride induced cardiac arrest model for aged mice. Aging and Disease. 9 (1), 31-39 (2018).
- Shen, Y., et al. Aging is associated with impaired activation of protein homeostasis-related pathways after cardiac arrest in mice. Journal of American Heart Association. 7 (17), e009634 (2018).
- Wang, P., et al. Manganese porphyrin promotes post cardiac arrest recovery in mice and rats. Biologia. 11 (7), 957 (2022).
- Wang, W., et al. Development and evaluation of a novel mouse model of asphyxial cardiac arrest revealed severely impaired lymphopoiesis after resuscitation. Journal of American Heart Association. 10 (11), e019142 (2021).
- Li, R., et al. Activation of the XBP1s/O-GlcNAcylation pathway improves functional outcome after cardiac arrest and resuscitation in young and aged mice. Shock. 56 (5), 755-761 (2021).
- Shen, Y., et al. Activation of the ATF6 (activating transcription factor 6) signaling pathway in neurons improves outcome after cardiac arrest in mice. Journal American Heart Association. 10 (12), e020216 (2021).
- Jiang, M., et al. MCC950, a selective NLPR3 inflammasome inhibitor, improves neurologic function and survival after cardiac arrest and resuscitation. Journal of Neuroinflammation. 17 (1), 256 (2020).
- Zhao, Q., et al. Cardiac arrest and resuscitation activates the hypothalamic-pituitary-adrenal axis and results in severe immunosuppression. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 41 (5), 1091-1102 (2021).
