Muismodel voor hartstilstand voor beeldvorming van de hersenen en monitoring van de hersenfysiologie tijdens ischemie en reanimatie
Summary
Dit protocol demonstreert een uniek muismodel van verstikking van hartstilstand waarbij geen borstcompressie nodig is voor reanimatie. Dit model is nuttig voor het monitoren en in beeld brengen van de dynamiek van de hersenfysiologie tijdens een hartstilstand en reanimatie.
Abstract
De meeste overlevenden van een hartstilstand (CA) ervaren verschillende gradaties van neurologische stoornissen. Om de mechanismen te begrijpen die ten grondslag liggen aan CA-geïnduceerd hersenletsel en vervolgens effectieve behandelingen te ontwikkelen, is experimenteel CA-onderzoek essentieel. Daartoe zijn enkele muis-CA-modellen opgesteld. In de meeste van deze modellen worden de muizen in rugligging geplaatst om borstcompressie uit te voeren voor cardiopulmonale reanimatie (CPR). Deze reanimatieprocedure maakt de real-time beeldvorming/monitoring van hersenfysiologie tijdens CA en reanimatie echter een uitdaging. Om dergelijke kritische kennis te verkrijgen, presenteert het huidige protocol een CA-model voor verstikking van muizen waarvoor de reanimatiestap voor borstcompressie niet nodig is. Dit model maakt het mogelijk om dynamische veranderingen in de bloedstroom, vasculaire structuur, elektrische potentialen en zuurstof in het hersenweefsel te bestuderen vanaf de pre-CA-basislijn tot vroege post-CA-reperfusie. Belangrijk is dat dit model van toepassing is op oudere muizen. Er wordt dus verwacht dat dit CA-model van muizen een cruciaal hulpmiddel zal zijn voor het ontcijferen van de impact van CA op de hersenfysiologie.
Introduction
Hartstilstand (CA) blijft een wereldwijde volksgezondheidscrisis1. Alleen al in de VS worden jaarlijks meer dan 356.000 gevallen van CA buiten het ziekenhuis en 290.000 gevallen in het ziekenhuis gemeld, en de meeste CA-slachtoffers zijn ouder dan 60 jaar. Met name post-CA neurologische stoornissen komen vaak voor bij overlevenden, en deze vormen een grote uitdaging voor CA-management 2,3,4,5. Om pathologische veranderingen in de hersenen na CA en hun effecten op neurologische uitkomsten te begrijpen, zijn verschillende neurofysiologische monitoring- en hersenweefselmonitoringtechnieken toegepast bij patiënten 6,7,8,9,10,11,12. Met behulp van nabij-infraroodspectroscopie is ook real-time hersenmonitoring uitgevoerd bij CA-ratten om neurologische uitkomsten te voorspellen13.
In CA-modellen van muizen wordt een dergelijke beeldvormingsbenadering echter bemoeilijkt door de noodzaak van borstcompressies om de spontane bloedsomloop te herstellen, wat altijd aanzienlijke fysieke beweging met zich meebrengt en dus delicate beeldvormingsprocedures belemmert. Bovendien worden CA-modellen normaal gesproken uitgevoerd met muizen in rugligging, terwijl de muizen voor veel hersenbeeldvormingsmodaliteiten in buikligging moeten worden gedraaid. Daarom is in veel gevallen een muismodel met minimale lichaamsbeweging tijdens de operatie nodig om real-time beeldvorming/monitoring van de hersenen uit te voeren tijdens de hele CA-procedure, van pre-CA tot post-reanimatie.
Eerder rapporteerden Zhang et al. een muis-CA-model dat nuttig zou kunnen zijn voor beeldvorming van dehersenen14. In hun model werd CA geïnduceerd door bolusinjecties van vecuronium en esmolol, gevolgd door het stoppen van mechanische ventilatie. Ze toonden aan dat na 5 minuten CA reanimatie kon worden bereikt door een reanimatiemengsel in te brengen. Opmerkelijk is echter dat de circulatiestilstand in hun model slechts ongeveer 10 seconden na de osmomol-injectie plaatsvond. Dit model recapituleert dus niet de progressie van door verstikking geïnduceerde CA bij patiënten, waaronder hypercapnie en weefselhypoxie tijdens de periode voorafgaand aan de arrestatie.
Het algemene doel van de huidige chirurgische procedure is het modelleren van klinische verstikking CA bij muizen, gevolgd door reanimatie zonder borstcompressies. Dit CA-model maakt het daarom mogelijk om complexe beeldvormingstechnieken te gebruiken om de hersenfysiologie bij muizen te bestuderen15.
Protocol
Representative Results
Discussion
In experimentele CA-onderzoeken zijn verstikking, kaliumchloride-injecties of van elektrische stroom afgeleide ventriculaire fibrillatie gebruikt om CA 16,17,18,19,20,21,22,23 te induceren. Normaal gesproken is reanimatie vereist voor reanimatie in deze CA-…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken Kathy Gage voor haar redactionele ondersteuning. Deze studie werd ondersteund door fondsen van de afdeling Anesthesiologie (Duke University Medical Center), American Heart Association-subsidie (18CSA34080277) en National Institutes of Health (NIH)-subsidies (NS099590, HL157354, NS117973 en 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 |
References
- 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. Biology. 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).
