Расширенное моделирование аневризмы брюшной аорты у мышей с помощью комбинации топической эластазы и перорального ß-аминопропионитрила
Summary
Этот протокол описывает методический хирургический подход к моделированию прогрессирующих аневризм брюшной аорты у мышей путем комбинации прямого нанесения эластазы в инфраренальную аорту и введения ß-аминопропионитрила через питьевую воду.
Abstract
Мышиная модель аневризмы брюшной аорты (АБА) на основе местной эластазы усиливается в сочетании с питьевой водой, обогащенной бета-аминопропионитрилом (БАПН), для надежного образования истинных инфраренальных аневризм с поведением, имитирующим человеческие АБА. Местное применение эластазы к адвентиции инфраренальной аорты вызывает структурное повреждение эластических слоев стенки аорты и инициирует дилатацию аневризмы. Совместное применение BAPN, ингибитора лизилоксидазы, способствует устойчивой дегенерации стенок за счет снижения сшивки коллагена и эластина. Эта комбинация приводит к образованию больших АБА, которые постепенно расширяются, образуют внутрипросветный тромб и способны к разрыву. Совершенствование хирургических методов, таких как кольцевая изоляция всего инфраренального сегмента аорты, может помочь стандартизировать процедуру для последовательного и тщательного применения эластазы поджелудочной железы свиней, несмотря на различные операторы и анатомические различия у мышей. Таким образом, модель эластазы/BAPN представляет собой усовершенствованный подход к хирургическому индуцированию АБА у мышей, что может лучше повторить аневризмы человека и предоставить дополнительные возможности для изучения роста аневризмы и риска разрыва.
Introduction
Аневризма определяется как патологическое расширение кровеносного сосуда, превышающее 50% от диаметра здорового сосуда1. Несмотря на то, что аневризмы брюшной аорты (АБА) являются часто встречающимся заболеванием у стареющего населения, с частотой встречаемости примерно >5% мужчин > возрасте 65 лет, не существует направленных терапевтических стратегий для лечения АБА1. В настоящее время лечение АБА ограничено снижением факторов риска и хирургической коррекцией с помощью открытой или эндоваскулярной хирургии в зависимости от диаметра аорты или скорости роста2. Наибольшую опасность АБА представляет разрыв аневризмы, который при отсутствии лечения приводит к летальному исходу, и восстановление в таких чрезвычайных условиях может привести к риску смертности до 90%1.
Патофизиология АБА сложна, многофакторна и до конца не изучена3. Особенности АБА человека включают истинное расширение аневризмы стенки аорты с инфильтрацией воспалительных клеток, наличие внутрипросветного тромба и прогрессирующую дилатацию, которая приводит к возможному разрыву 3,4. Кроме того, АБА связаны с преклонным возрастом, имеют преобладание мужского пола 9:1 и чаще всего встречаются в подколенной аорте5. Моделирование всех особенностей и поведения человеческих АБА у животных остается постоянной проблемой6.
Современное моделирование АБА в основном проводится на мышах, и аневризмы обычно индуцируются с помощью одного из трех методов – инфузией ангиотензина II (AngII) с помощью подкожно имплантированного осмотического насоса и прямым применением хлорида кальция (CaCl2) или эластазы в аорту7. В последнем методе панкреатическая эластаза (СИЗ) свиней наносится на сегмент инфраренальной аорты и вызывает ферментативную деградацию волокон эластина в эластической ламели оболочки. Это структурное повреждение приводит к ослаблению стенки аорты и расширению аневризмы наружу. Использование только топической эластазы, однако, приводит к относительно небольшим инфраренальным аневризмам, которые не могут постепенно увеличиваться или разрываться с течением времени. Совсем недавно Lu et al. усовершенствовали эту модель, дополнительно вводя β-аминопропионитрил (BAPN), необратимый ингибитор лизилоксидазы, своиммышам, получавшим эластазу. Предотвращая сшивание эластиновых и коллагеновых волокон, добавки BAPN вызывают прогрессирующее расширение поврежденных эластазой аорт до точки разрыва. Кроме того, модель эластазы/BAPN имеет более высокую частоту встречаемости АБА, чем модель топической эластазы, а образующиеся аневризмы также больше и содержат внутрипросветный тромб8.
В модели эластазы/BAPN степень хирургической диссекции и воздействие эластазы на аорту могут повлиять на успех и воспроизводимость этой модели. В этой рукописи мы описываем, что одновременное введение питьевой воды BAPN и местное применение эластазы в аорте после кольцевой изоляции всего инфраренального сегмента аорты улучшает воспроизводимость, учитывает анатомические различия между животными и приводит к увеличению скорости индукции АБА, размеров аневризмы и частоты разрывов. В этой статье мы опишем стандартизированный подход к надежному индуцированию прогрессирующих аневризм брюшной аорты у мышей с использованием комбинации местной воды с добавлением эластазы и BAPN.
Protocol
Representative Results
Discussion
Понимание сложной патофизиологии АБА имеет решающее значение для улучшения лечения заболевания аневризмы аорты. В то время как активно разрабатываются новые стратегии для улучшения результатов хирургического вмешательства, АБА по-прежнему широко распространены в нашем стареющем обществе, а разрыв аневризмы остается основной причиной смертив Соединенных Штатах. Таким образом, неудовлетворенные потребности в стратегиях выявления, профилактики и лечения АБА требуют дальнейших фундаментальных исследований аневризмы11.
Животные модели, которые точно и эффективно повторяют особенности и поведение человеческих АБА, необходимы для механистических исследований патофизиологии аневризмы и выявления потенциальных терапевтических мишеней. В то время как современные животные модели могут имитировать основные аспекты аневризматических изменений, которые происходят при заболеваниях человека, ни одна модель не представляет в полной мере истинную сложность человеческих АБА. В настоящее время мыши являются наиболее широко распространенным видом для моделирования животных ААА. Исследователи должны учитывать различные сильные и слабые стороны каждой мышиной модели для своего конкретного исследования аневризмы, например, те, которые профессионально описаны в обзорах Daugherty et al. и Busch et al.12,13.
Использование эластазы для индуцирования АБА у грызунов было впервые описано Anidjar et al. в 1990 г.14. Перфузия аорты панкреатической эластазой свиньи с помощью шприцевого насоса создает начальное расширение примерно от 50% до 70%, и расширенные сегменты благоприятно демонстрируют схожие патологические особенности человеческих АБА, такие как медиальная дегенерация и адвентициальное воспаление. Однако классическая модель перфузии, возможно, является наиболее технически сложной моделью аневризмы, и аневризмы, которые обычно образуются ко второй неделе, начинают постепенно рассасываться после этого. Затем Bhamidipati et al. в 2012 году продемонстрировали, что адвентитивное применение эластазы также может успешно индуцировать подобные аневризмы, которые более воспроизводимы при размере15. Гораздо менее сложная модель, модель топической эластазы, получила широкое распространение в исследованиях аневризмы. Дополнительная методология и преимущества модели топической эластазы обсуждаются в статье о методах Xue и коллег16.
Модель эластазы/BAPN мышиной АБА была разработана Лу и коллегами в 2017году8. Введение 0,2% BAPN в питьевую воду улучшило многие критические замечания классической модели местной эластазы, в результате чего теперь возникают аневризмы, которые постоянно расширяются до точки разрыва АБА. В своем исследовании 2017 года они продемонстрировали, что мыши в группе, получавшей эластазу/BAPN, имели значительно более высокие показатели образования АБА по сравнению с группой эластазы (93% против 65%, P 800% исходного диаметра и образовывали внутрипросветный тромб (53,8%), а 46,2% спонтанно разрывались до конца эксперимента. Эта модель позволила исследователям изучить факторы, которые могут влиять на прогрессирование и стабильность аневризмы с течением времени.
Berman et al. дополнительно исследовали модель эластазы/BAPN, варьируя концентрацию местной эластазы, продолжительность исследования, время введения BAPN и влияние пола животных9. Лечение 5 мкл высококонцентрированной эластазы (5 мг/мл или 10 мг/мл) приводило к более крупным аневризмам, чем 2,5 мг/мл в течение 56 дней. Распространенность образования внутрипросветных тромбов также зависела от концентрации эластазы, которая наблюдалась у 28,6% мышей, получавших 5 мг/мл, и у 62,5% мышей, получавших 10 мг/мл. Они также продемонстрировали, что модель эластазы/BAPN может вызывать аневризмы у самок мышей. Несмотря на то, что было изучено только несколько самок мышей (n = 5), они обнаружили, что аневризмы у самок были более склонны к разрыву (2 из 5 мышей) и были значительно больше, чем у самцов АБА через 56 дней.
В этой статье мы стремимся предложить метод, позволяющий устранить одно из самых больших ограничений хирургического моделирования, которое заключается в вариативности хирургической процедуры. Без четкого консенсуса относительно степени расслоения и площади аорты, обрабатываемой эластаза, результаты этой модели могут сильно различаться у животных, исследователей и учреждений. Мы наблюдали многочисленные анатомические различия у мышей, включая количество и размер поясничных артерий и вен, а также расположение ИМА, отрыв левой гонадной вены, среди прочего, что может быть ограничивающим при попытке лечения только части или конкретного сегмента инфраренальной аорты. В данной работе мы показываем, что круговое рассечение по всей длине инфраренальной аорты от левой почечной артерии проксимально до дистально бифуркации аорты помогает обеспечить воспроизводимые степени воздействия аорты, несмотря на анатомические различия, одновременно увеличивая успех индукции аневризмы и обеспечивая четкие границы для оператора. Кроме того, размер и более переднее положение НПВ, как правило, покрывают большую часть аорты, что может повлиять на объем обрабатываемой аорты, если она не изолирована от НПВ. В то время как удаление забрюшинной фасции необходимо для обнажения аорты, важно не полностью рассекать соединительную ткань адвентиции от аорты и обнажать любой из слоев среды, так как это обычно приводит к разрыву в течение 5-минутного инкубационного периода эластазы. Это может служить дополнительным внутренним контролем в степени вскрытия с помощью этой модели, но может быть разочаровывающей кривой обучения при принятии этой модели. Кроме того, операторы узнают о зонах повышенного риска (Рисунок 4), которые могут быть легко травмированы во время операции и привести к неконтролируемому кровотечению.
Несмотря на то, что важно, чтобы процедурные шаги этой модели были последовательными, продолжительность исследования и время проведения интервального ультрасонографии могут варьироваться в зависимости от цели исследования. Дилатация аорты начинается сразу после применения эластазы, однако в исследованиях с использованием этой модели обычно наблюдают за мышами в течение 28 днейпосле операции, как в этом примере эксперимента. Увеличение продолжительности исследования следует рассматривать при изучении прогрессирующих АБА, долгосрочного роста, образования внутрипросветного тромба или разрыва.
Дополнительные периоперационные меры, такие как поддержание температуры тела животного и гидратационного статуса, могут помочь улучшить выживаемость животных при этой инвазивной процедуре. Использование грелки во время операции и помещение в теплую клетку для восстановления может помочь избежать переохлаждения. Солевой раствор следует подогреть перед тем, как использовать его для орошения брюшной полости. Болюсное введение подкожной жидкости сразу после операции может компенсировать незаметные потери жидкости во время операции и помочь животному поддерживать достаточную гидратацию во время непосредственной фазы восстановления. При бережном обращении с тканями и последовательном методическом подходе модель эластазы/BAPN может быть выполнена опытным оператором в период от 30 до 45 минут на мышь и надежно получить АБА с очень низким периоперационным осложнением.
Наши результаты показывают, что комбинация BAPN в дополнение к кольцевой диссекции инфраренальной аорты перед применением эластазы дает большие, постоянно расширяющиеся АБА с большим диаметром и частотой разрыва через более короткие периоды. В этом эксперименте АБА были успешно индуцированы у всех самцов (6 из 6) и самок (6 из 6) мышей, получавших активную эластазу. Воздействие эластазы в течение 5 мин приводило к немедленному увеличению диаметра аорты примерно на 30-40%, что способствует подтверждению успешного и последовательного применения эластазы в группах лечения. Как и Berman et al., мы показали, что эта модель может индуцировать АБА у самок мышей, которые также имеют большую реакцию на разрыв, чем самцы. Половина самок мышей (3 из 6) разорвалась в течение 28 дней, по сравнению с 0 из 6 самцов, однако самки мышей весят меньше, чем самцы. Самцы мышей продемонстрировали увеличение диаметра АБА на 257% по сравнению с -4% самцов в контрольной группе, в то время как выжившие самки показали увеличение диаметра на 417% по сравнению с -16% у самок в контрольной группе. Диаметры аорты существенно не различались между выжившими самцами и самками мышей, получавших лечение через 28 дней, из-за большего количества разрывов в группе самок. Мы предполагаем, что фиктивные мыши демонстрируют меньший диаметр аорты к концу исследования, поскольку аорта имеет тенденцию к незначительному расширению во время первоначального рассечения, а затем образует рубцовую ткань к 28 дням.
Модель эластаза/BAPN имеет определенные ограничения. Круговая диссекция аорты требует тонких хирургических навыков, но помогает улучшить воспроизводимость и степень индукции аневризмы. Подобно модели топической эластазы, в активности фермента эластазы также присутствует пакетный эффект, поэтому, как упоминалось ранее, важно использовать одну и ту же бутылку эластазы для всех животных в данном эксперименте. В то время как частота внутрипросветного тромба и разрыва АБА увеличивается со временем и тяжестью аневризмы, они не гарантированы и не полностью предсказуемы в данной модели.
Таким образом, модель эластазы/BAPN производит крупные, истинные инфраренальные ААА как у самцов, так и у самок мышей, которые постепенно расширяются с течением времени, образуют внутрипросветный тромб и способны к разрыву. Эти сильные стороны этой мышиной модели помогают лучше воспроизвести некоторые виды поведения и характеристики аневризм у людей. Несмотря на техническую сложность, тщательное и тщательное рассечение аорты может усилить аневризматическую реакцию. В настоящее время метод эластазы/BAPN является усовершенствованной моделью для изучения инфраренальных аневризм брюшной аорты.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Национальным институтом сердца, легких и крови (NHLBI) Национальных институтов здравоохранения (NIH) под номером 1R01HL149404-01A1 (BL) и премией Национальной исследовательской службы имени Рут Л. Киршштейн T32 HL 007936 Центру сердечно-сосудистых исследований Университета Висконсин-Мэдисон (JB). Рисунки создавались или редактировались с помощью Biorender.com. Статистический анализ проводился с помощью программного обеспечения GraphPad Prism 10.
Materials
| 0.5 L induction chamber | Kent Scientific Corporation | SOMNO-0530XXS | anesthesia induction chamber |
| 0.9% sodicum chloride injection, USP, 20 mL | Hospira | NDC 0409-4888-03 | normal saline |
| 3 mL syringe Luer-Lok Tip with BD PrecisionGlide Needle 22 G x 3/4 | BD | REF 309569 | syringe, 22 G needle |
| 3-Aminopropionitrile Fumarate | TCI | A0796 | BAPN |
| 3-Aminopropionitrile Fumarate salt | Sigma-Aldrich | A3134-25G | BAPN |
| Avant Delux gauze sponges, 2" x 2" 4-Ply | Medline | NON26224 | gauze sponges |
| Balding clipper | Whal Clipper Corporation | 8110 | hair clippers |
| betadine surgical scrub (povidone-iodine, 7.5%) | Avrio | NCD 67618-154-16 | betadine surgical scrub |
| blunt forceps | ROBOZ | RS-5130 | blunt forceps |
| Buprenorphine ER-lab | ZooPharm | BERLAB0.5 | buprenorphine |
| carprofen | Norbrook | NDC 55529-131-11 | carprofen |
| CASTROVIEJO 5.75" straight with lock | ROBOZ | RS-6412 | Castroviejo needle driver |
| cotton tipped wood applicators, 6" | Dynarex | No. 4302 | cotton tipped wood applicators |
| DESMARRES 5.5' rectractor | ROBOZ | RS-6672 | skin rectractor |
| digital caliper, 0-150 mm | World Precision Instruments | 501601 | digital caliper |
| DPBS (1x) | Gibco | 14190-144 | DPBS |
| Elastase from porcine pancrease Type I | Sigma-Aldrich | E1250-10MG | elastase >4.0 units/mg protein |
| Ethanol 200 proof | Decon Labs, Inc | 2701 | ethanol diluted to 70% |
| eye lube | Optixcare | 14716 | eye lube |
| Germinator 500 dry sterilizer | CellPoint Scientific, Inc | 5-1450 | dry bead sterilizer |
| heat therapy mat | Adroit Medical Systems | V016 | heat therapy mat |
| heat therapy pump | Adroit Medical Systems | HTP-1500 | heat therapy pump |
| isoflurane, USP | Akorn Animal Health | NCD 59399-106-01 | isoflurane |
| L-10 pipette | Rainin | LTS 0.5-10 uL | pipette |
| Low profile anesthesia mask, small | Kent Scientific Corporation | SOMNO-0801 | anesthesia nose cone |
| micro dissector scissors | ROBOZ | RS-5619 | micro dissector scissors |
| microscope | Leica | S9i | microscope |
| Nii-LED high intensity LED illuminatorLED exertnal light | Nikon Instruments, Inc | 83359 NII-LED | external dissection light |
| nylon 5-0 monofilament, black non-absorbable suture | Oasis | MV-661-V | 5-0 nylon suture |
| polyisoprene surgical gloves, GAMMEX Non-Latex PI Micro, size 7.5 | Ansell | 20685975 | non-latex surgical gloves |
| Reflex 7 mm stainless steel wound clips | CellPoint Scientific, Inc | 203-1000 | wound clips |
| scale | Ohaus | Compass CR2200 | scale |
| SomnofFlo Accessory Kit | Kent Scientific Corporation | 10-8000-71 | tubing for electronic vaporizer |
| SomnoFlo electronic vaporizer | Kent Scientific Corporation | SF2992 | low-flow electronic vaporizer |
| SomnoPath Flow Diverter | Kent Scientific Corporation | SP1016 | flow diverter for electronic vaporizer |
| SS/45 sharp forceps | ROBOZ | RS-4941 | sharp forceps |
| surgical scissors | ROBOZ | RS-6010SC | surgical scissors |
| vessel forceps | Dumont | VES 0.35 | vessel forceps |
References
- Kent, K. C. Clinical practice. Abdominal aortic aneurysms. New Engl J Med. 371 (22), 2101-2208 (2014).
- Wanhainen, A., et al. European Society for Vascular Surgery Guidelines on the management of aorto-iliac abdominal aortic aneurysms. Eur J Vasc Endocasc Surg. 57 (1), 8-93 (2019).
- Shimizu, K., Mitchell, R. N., Libby, P. Inflammation and cellular immune responses in abdominal aortic aneurysms. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 26 (5), 987-994 (2006).
- Shen, Y. H., et al. Aortic aneurysms and dissections series. ArteriosclerThromb Vasc Biol. 40 (3), e37-e46 (2020).
- Stanley, J. C., Veith, F., Wakefield, T. W. . Current Therapy in Vascular and Endovascular Surgery E-Book. , (2014).
- Morgan, S., et al. Identifying novel mechanisms of abdominal aortic aneurysm via unbiased proteomics and systems biology. Front Cardiovasc Med. 9, 889994 (2022).
- Yin, L., Kent, E. W., Wang, B. Progress in murine models of ruptured abdominal aortic aneurysm. Front Cardiovasc Med. 9, 950018 (2022).
- Lu, G., et al. A novel chronic advanced stage abdominal aortic aneurysm murine model. J Vasc Surg. 66 (1), 232-242.e4 (2017).
- Berman, A. G., et al. Experimental aortic aneurysm severity and growth depend on topical elastase concentration and lysyl oxidase inhibition. Sci Rep. 12 (1), 99 (2022).
- . Disease Control and Prevention Deaths, percent of total deaths, and death rates for the 15 leading causes of death in 5-year age groups, by race, and sex Available from: https://www.cdc.gov/nchs/nvss/mortality/lcwk1.htm (2015)
- Dansey, K. D., et al. Epidemiology of endovascular and open repair for abdominal aortic aneurysms in the United States from 2004 to 2015 and implications for screening. J Vasc Surg. 74 (2), 414-424 (2021).
- Daugherty, A., Cassis, L. A. Mouse models of abdominal aortic aneurysms. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 24 (3), 429-434 (2004).
- Busch, A., et al. Translating mouse models of abdominal aortic aneurysm to the translational needs of vascular surgery. JVS Vasc Sci. 2, 219-234 (2021).
- Anidjar, S., et al. Elastase-induced experimental aneurysms in rats. Circulation. 82 (3), 973-981 (1990).
- Bhamidipati, C. M., et al. Development of a novel murine model of aortic aneurysms using peri-adventitial elastase. Surgery. 152 (2), 238-246 (2012).
- Xue, C., Zhao, G., Zhao, Y., Chen, Y. E., Zhang, J. Mouse abdominal aortic aneurysm model induced by perivascular application of elastase. J Vis Exp. (180), 63608 (2022).
.