小鼠局灶性脑中风模型研究进展
2021-03-28
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2015年2月 中国比较医学杂志 CHINESE JOURNAL OF C0MPARATIVE MEDICINE February,2015 V01.25 NO.2 第25卷第2期 小鼠局灶性脑中风模型研究进展 闫 峰 ,左 玮 ,罗玉敏 (1.首都医科大学宣武医院脑血管病研究室,北京100052;2.中国医学科学院药物研究所,北京100050) 【摘要】 中风是包括大脑缺血性中风,大脑出血性中风(ICH)和蛛网膜下腔出血性中风(SAH)在内的一类 神经系统性疾病,其发病率和死亡率居高不下。制作方法简单,可重复性好的动物模型是研究中风损伤发病机制 和治疗方法不可或缺的载体,损伤位置、体积、神经功能缺损和脑血流量变化,都可以用来评估模型对于各种治疗 方法的潜力。本文将对小鼠的缺血性中风、出血性中风模型的制作方法和经验进行总结同时介绍几种小鼠中风模 型的评价方法。 【关键词】 小鼠;脑出血;脑缺血 【中图分类号】R33 【文献标识码】A 【文章编号】1671—7856(2015)02-0050 ̄4 doi:10.3969.j.issn.1671.7856.2015.002.013 Research progress of mouse models of focal cerebral stroke YAN Feng。ZUO Wei ,LUO Yu—min ,(I.Xuan—Wu Hospital of Capital Medical University,Beijing,100053,China; 2.Institute of Materia Medica,Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College,Beijing 100050) 【Abstract】 Stroke is a class of neurological disorders including cerebral ischemic stroke,cerebral hemorrhagic stroke(ICH)and subarachnoid hemorrhagic stroke(SAH),which has a high incidence of morbidity and mortality.Simple and reproducible animal model is indispensable for the study of pathogenesis and treatment after stroke insult.Location and size of injury,neurological deficits and cerebral blood flow changes can be used to assess the availability of the model for various treatment methods.Construction methods,designing experience as well as the methods of model assessment were summarized in this article. 【Key words】 Mouse;Model;Hemorrhagic stroke;Ischemic stroke;Cerebral stroke 中风具有高发病率、高致残率、高死亡率、高 复发率的特点,是目前人类死亡的三大主要疾病之 一的缺血性中风、出血性中风模型的制作及评价方法 进行综述。 1 小鼠缺血性中风模型的制作 ,给社会和家庭带来沉重的负担 。近年来随着 基因工程的发展,各种人造的基因缺失或者过表达 的小鼠品系的出现为中风的研究带来了广阔的前 1.1 颞肌下开颅大脑中动脉闭塞【dMCAO)模型 景。脑中风模型的应用也逐渐由大鼠模型向小鼠 中风模型发展,利用小鼠中风模型进行神经保护的 开创性实验取得了巨大的成功 。本文将对小鼠 Tamura等 首次提出并建立一种开颅电凝的 MCAO模型,经典方法为:小鼠麻醉后侧卧,去除其 一侧眼与耳之间的被毛,剪开皮肤约0.8 cm,暴露 [作者简介]闫峰(1984一),男,技师,硕士研究生,研究方向:脑血管病,E-mail:yanfeng@ccmu.edu.cn。 【通讯作者]罗玉敏(1965一),女,研究员,研究方向:脑血管病,E—mail:yuminl11@ccmu.edu.cn。 中国比较医学杂志2015年2月第25卷第2期Chin J Comp Med,Februa ̄2015,Vo1.25.No.2 51 颞肌,将颞肌从颅骨上分离,暴露颅骨后用电钻钻 供血区的血流。如果在缺血后将线栓留动脉血管 内不再拔出,则是永久性缺血模型;如果在缺血一 段时间后将动脉内的线栓完全拔出则为缺血再灌 开颅骨,暴露大脑皮层供血动脉,分离近端动脉,用 电凝或10—0手术丝线结扎大脑中动脉(MCA),造 成脑梗死。在模型的制作过程中如果条件允许应 对股动脉进行分离并插管,定时采集动脉血液对血 气(pO:,pCO ,pH等.)进行监测,使动物在正常的 生理状况下进行手术。同时使用激光多普勒脑血 注模型。动物的年龄、体重、品系以及线栓的粗细、 材质都严重影响着模型的成功率。作为实验室模 型可重复性的一部分,配合小鼠动脉血管直径选择 包被不同图层厚度的线栓更是十分重要的。虽然 流仪监测脑血流的变化情况,判断脑血流是否下降 到预期值。此方法制作的缺血中风模型一般不可 现在小鼠线栓已经商品化,但仍有不少实验室使用 自制的线栓也取得了很好的稳定性。如果条件允 再灌,不适用于对再灌注损伤的研究。 Tamura-型永久性近端MCAO模型梗死体积取 决于动物的种系,缺血时间以及动物处死的时间, 如果在嗅束水平以上迅速进行MCAO,纹状体动脉 通常不会受累,如果在次级脑动脉水平进行MCAO, 则梗死体积相对较小,但是如果同侧颈内动脉永久 闭塞且对侧颈动脉夹闭1 h,则会增大梗死体积。 Tamura型MCAO的众多优点之一是可以通过 部分颅骨切除来检测到MCA区域血管的异常,还可 以在缺血区给大脑减压。因此这个模型脑水肿的 体积比线栓模型要低。大脑水肿可以使用脑内部 的压力(ICP)升高,并导致脑内毛细血管灌注下降, 从而进一步提高缺血损伤的体积。小鼠的Tamura 模型的整体的特点为术后死亡率低(O%到1%) 和重复性高 。术后小鼠可能表现出摄食困难,这 可能是由于部分颅骨切除时造成的颞肌以及下颚 骨损伤造成的,表现为术后体重下降,如果进行长 期研究需要关注动物的营养情况,以免造成不必要 的死亡。 1.2线栓法大脑中动脉闭塞(MCAO)模型 Koizum等 在1986年首次提出并建立线栓法 MCAO模型首先建立,随后Zea Longa等 一些列 学者对其进行了进一步推广及改进,使其逐渐广为 接受和使用。虽然Zea Longa等使用的是大鼠,但 其手术方法也同样适用于小鼠模型的制作,只是对 于手术者的要求要高很多。其经典术式为:将动物 常规麻醉后仰卧固定,颈部正中切口,分离颈总动 脉(CCA)、颈外动脉(ECA)和颈内动脉(ICA),结 扎ECA后,临时阻断CCA和ICA,将ECA结扎处近 心端剪断,使ECA游离,使之与ICA成一直线。对 尼龙线进行包被,包被材料可以使用硅胶或者多聚 赖氨酸。将包被好的线栓从ECA切口处经过ICA 进入颅内区域,行进约8—9mm略感阻力,提示线栓 头部到达大脑前动脉(ACA)区域,从而阻断MCA 许所有的短暂性脑缺血实验都要通过激光多普勒 血流仪来监测皮层局部脑血流量(rCBF)的变化,以 确认在插入线栓时脑血流下降到预期数值,拔出线 栓后血流恢复,能够在MCA区域重新建立脑血流。 小鼠的手术过程较大鼠操作困难,线栓的位置 在不足1 mm的空间内即可影响模型的最终结果, 故要特别注意插入线栓的深度和手感。首先线栓 的头部要避免进入翼颚动脉(PPA)残端,可以在尽 可能靠近ICA的地方用10—0单丝尼龙线结扎翼颚 动脉。线栓的图层材料过厚会阻碍线栓进人ICA 的颅内部分或者移动过后海马动脉。这种情况下, 如果线栓停留超过24 h,可能会导致后海马上部的 损伤,故应选择合适的线栓进行模型制作。. 术后对模型的评价也极为重要,梗塞大脑一侧 半球会影响对侧肢体的活动。因此,如果在皮层右 侧以及尾状核诱导损伤,则小鼠左侧前肢和后肢会 变弱。轻轻的掐尾巴,动物会试图逃离,小鼠会逆 时针方向转圈。如果动物从麻醉状态清醒过来,顺 时针转圈而手术是针对右侧大脑,则有可能是形成 了血肿。这些观察结果加上局部脑血流量读数的 变化可以验证模型是否成功。线栓模型的优势在 于其利用了血管内介人技术进行MCA阻断,而不需 要进行部分颅骨切除。目前普遍认为,线栓阻断 MCA区供血的方法不开颅、创伤面小,对动物体温、 血压、血气以及缺血损伤引起的水肿和颅内压增高 无明显影响,因此优于开颅法。此外由于线栓 MCAO法再灌注十分方便,因此在研究脑缺血再灌 注损伤中被广泛应用 。这个模型的缺点是脑 水肿的发生率、技术并发症发生率和死亡率稍高。 1.3栓塞法和血栓法MCAo模型 栓塞法和血栓法制作小鼠MCAO模型原理与 线栓法基本相同,均是使用物理手段将MCA阻断以 达到使之供血部位缺血的目的,这其中模型成功与 否的关键因素是栓子的制备。栓子的制备材料有 52 中国比较医学杂志2015年2月第25卷第2期Chin J Comp Ned,February 2015,Vo1.25.No.2 很多,如空气,碳素颗粒、石蜡以及自体血栓等等, 其中自体血栓制备的血块最普遍¨卜 。但栓塞法 最大的缺点是栓子制备及注入过程中的随机性,无 法预测栓塞的部位和大小。 栓塞法模型制作时除用于堵塞血管的物质外, 手术方法可参见线栓法模型,在ECA上剪以斜行的 小口后,插入内装制备好的自体血栓的导管,将导 管经ICA插至颅脑底部,随后将血栓顺着导管的走 向注入,即可实现MCA供血区的缺血损伤。 Traystman等¨ 采用自体血制备的血栓栓子纤维蛋 白可用来制作大鼠MCAO模型。血栓制作过程为: 将动物麻醉后从股动脉抽取动脉血液至内径为0.2 mm的导管内,导管两端连接充满生理盐水的注射 器轮流向导管加压,使血液在导管内移动凝固,但 并不粘附在导管上,后将导管置于37摄氏度的水浴 锅中2 h,后移人4摄氏度冰箱中22 h,使用前将血 栓表面红细胞洗去置于生理盐水中备用即可。为 了更精准的保证高血栓块安置的位置,Dinapoli 等 在多普勒成像技术的指导下借助显微导管输 送栓子进入MCA特定部位,成功的建立更为均一的 梗死灶。此类模型的优点是:(1)较接近于人类大 脑栓塞;(2)可测试溶栓药物的作用。缺点:(1)缺 血范围和部位难以预见,再灌过程难以建立;(2)术 中污染诱发感染等炎性反应;(3)严重影响侧支循 环,神经功能评分等分析较差;(3)适用范围窄,仅 适用于一些特殊的研究如溶栓治疗等。 1.4诱导蛛网膜下腔出血的线栓模型 制作蛛网膜下腔出血线栓模型(SAH),使用6 —0或者7—0尼龙栓线闭塞Willis环并插人大脑前 动脉,此过程与MCAO模型的制作方法相同。当线 栓前进受到阻力时,再继续插入1 mm以确保动脉 穿孔,栓线头部刺穿动脉后立即拔出进行再灌。如 果在制作出血模型的过程中持续监测脑血流可以 发现刺破血管后脑血流出现阶梯状下降的特征 图形。 1.5通过注射胶原酶诱导出血性中风模型 血管壁的主要构成成分有蛋白聚糖和多种类 型的胶原。胶原酶可被分为I~VIII型,是一类特殊 的金属基质蛋白酶(matrix metallopr0teinase,MMP) 能够降解细胞外间质以及基底膜中的胶原。Iv型 和VII型胶原酶广泛用于制备动物的脑出血模型。 胶原酶注入20min后即可通过降解脑血管基底膜上 的胶原蛋白造成血管壁的损伤,导致渗血现象的发 生,4小时左右即发展为片状出血。胶原酶使用的 剂量决定了出血区面积的大小。 其手术具体方法为常规麻醉后将小鼠俯卧,头 顶备皮后在正中做1 cm切口,暴露小鼠颅骨,将小 鼠固定于立体定位仪上,确定其前囟中点,以前囟 为0点,向前0.7 mm,向右2 mm处为尾状核于颅骨 投影处,用32G针头的1 lxL微量注射器刺破入颅 骨4—5 mm,将计算好剂量的胶原酶(0.15 U/IxL) 生理盐水溶液0.5 IxL缓慢注入即可,注射时间应大 于20 min 。胶原酶自身就具有一定的毒性,导 致大脑出血区细胞出现坏死,此外出血区周围的水 肿部位可观察到炎性细胞的浸润。该模型属于渗 出性模型,血肿程度较均一,神经功能缺陷较明显, 成为脑出血研究中广泛应用动物模型之一。 2中风的行为学评估 在临床上,习惯将中风患者的神经功能损伤大 致分为一般功能损伤和局灶性功能损伤。前者反 应的是患者生命状态和整体神经功能,后者反应损 伤造成的定位性功能缺陷,本文将介绍3种国内外 常用的中风后小鼠的行为学评估的标准。分别为 Bederson小鼠行为学评分 19],Clakr评分小鼠一般 功能损伤评分和Clark评分小鼠局灶功能损伤评 分 。需要注意的是:严重行为缺陷的小鼠容易出 现严重的低温,因此需要持续维持恒温的环境。低 温对短暂性缺血的影响要明显大于对永久性缺血 的影响,另外和大鼠不一样,前臂肢体屈曲不是一 个可靠的小鼠行为学迹象,因此不包括在数据分析 统计中。 以上介绍的3中评价方法各有优缺点, Bederson评分方法因其简单实用,评价准确而在国 内被广泛应用;Clark评分对多项神经功能进行了较 为全面的评价,操作性好,对动物模型的评价更 具体。 3 总结 在许多种类的动物中都可以成功的重复中风 模型:松鼠猴,沙鼠,兔,猫和狗。作为一个经验法 则,动物物种越大,缺血损伤的大小和定位的差异 性越大。如丰富的大脑侧支循环使得狗很难用于 中风的研究,需要夹闭很多动脉分支才能很好的复 制脑缺血损伤的模型。小动物比如小鼠和大鼠,则 更容易操作,经济性更好而且随时可以得到。另 中国比较医学杂志2015年2月第25卷第2期 Chin J Comp Med,February 2015,Vo1.25.No.2 53 外,采用廉价、血管解剖近似于人的小鼠为实验对 象还有其他优势,例如脑组织小生化、组化检测费 用低,节约实验耗材等。小鼠的脑中风模型为系统 研究中风的病理生理损伤及各种治疗干预提供了 一AMPK/mTOR and JNK pathways[J].J Neurosei Res.2014, 92(10):1295—306. KH,[ 。] Lee SV,ChoiChoi YW,et a1.Hexane extracts of Polygonum muhilforum improve tissue and functional outcome following focal cerebral ischemia in mice[J].Mol Med Rep, 2014,9(4):1415—21. 个重现性好、可控的研究载体。 [11] Prieto—Arribas R,Moreno-Guti6rrez A,Simal・Hernfndez P,et 参考文献: [1] Murray CJ,Lopez AD.Measuring the global burden of disease a1.Experimental models of cerebral ischemia[J].Rev Neurol, 2008,47(8):414—426. [J].N Engl J Med,2013,369(5):448—457. [2] Koyama T,Ochoa-Callejero L,Sakurai T,et a1.Vascular endothelial adrenomedullin-RAMP2 system is essential for vascular integrity and organ homeostasis[J].Circulation,2013, 127(7):842—53. [3] Yoshizawa T,Sakurai T,Kamiyoshi A,et a1.Novel regulation of cardiac metabolism and homeostasis by the adrenomedullin- receptor activity—modifying protein 2 system[J].Hypertension, 2013。61(2):341—51. [4]Tamura A,Graham DI,McCulloch J,et a1.Focal cerebral ischemia in the rat:1.Description of technique and early neuropathological consequences following middle cerebral artery occlusion[J].J Cereb Blood Flow Metab,1981,1(1):53 —60. [5] Robinson R.Differential behavioral and biochemical effects of irght and left hemispheric cerebral infarction in the rat[J]. Science,1979,205(4407):707—710. [6] Koizumi J,Yoshida Y,Nakazawa T,et a1.Experimental studies of ischemic brain edema:a new experimental model of cerebral embolism in rats in which recirculation can be intorduced in the isehemic area[J].Jpn J Stroke,1986,8(1):1—8. [7]Traystman RJ.Animal models of focal and global cerebral ischemia[J].ILAR J,2003,44(2):85—95. [8]Nakano Y,Suzuki Y,Takagi T,et a1..Glycoprotein nonmetastatic melanoma protein B(GPNMB)as a novel neuroprotective factor in cerebral ischemia-repeffusion injury [J].Neuroscience.2014,26(277):123—131. 【9]Guo Z1,Cao G,Yang H,et a1.A combination of four active compounds alleviates cerebral ischemia—reperfusion injury in correlation with inhibition of autophagy and modulation of [12] Yang Y,Yang T,Li Q,et a1.A new reproducible focal cerebral ischemia model by introduction of p0lyvinylsil0xane into the middle cerebral artery:a comparison study[J].J Neurosci Methods,2002,118(2):199—206. [13] Toshima Y,Satoh S,Ikegaki I,et a1.A new model of cerebral- microthrombosis in rats and the neuroproteetive effect of a Rho- kinase inhibitor[J].Stroke,2000,31(9):2245—2250. [14] 姚国杰,马廉亭,吴佐泉.经颈内动脉内注入真丝线段建立 大鼠局灶性脑梗死模型[J].中国临床康复,2003,7(3): 397—417. [15] 李建生,刘敬霞,于海滨.大鼠自体血栓结合线栓阻塞大脑 中动脉制备脑缺血模型的建立与评价[J].中国危重病急救 医学,2006,18(5):272—274. [16] Traystman RJ.Animal models of focal and global cerebral ischemia[J].ILAR J,2003,44(2):85—95. [17] Dinapoli VA,Rosen CL,Nagamine T,et a1.Selective MCA occlusion:a precise embolic stroke model[J].J Neurosci Methods,2006,154(1—2):233—238. [18] Zhu W,Gao Y,Chang CF,et a1.Mouse models of intracerebral hemorrhage in ventricle,cortex,and hippoeampus by injections of autologous blood or collagenase[J].PLoS ONE,2014,9 (5):e97423. [19] Ridenour TR,Warner DS,Todd MM,et a1.Mild hypothermia reduces infarct size resulting from temporary but not permanent focal ischemia in rats[J].Stroke,1992,23(5):733—738. [2O] Clark WM,Lessov NS,Dixon MP,et a1. Monofilament intraluminal middle cerebral artery occlusion in the mouse[J]. Neurol res,1997,19(6):41—648. [修回日期]2014-10-27