动物模型构建与评估丨MCAO动物模型手术操作“避坑”指南

学术   2024-12-30 22:23   湖北  

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MCAO动物模型是指大脑中动脉闭塞(Middle Cerebral Artery Occlusion,简称MCAO)模型,这是一种常用于模拟人类缺血性脑卒中的动物模型,特别是在小鼠和大鼠上应用广泛,是一种在研究脑缺血再灌注损伤等脑血管疾病机制常用的动物模型。大约87%的中风是人类的缺血性中风,70%的脑梗塞是由大脑中动脉(MCA)及其分支的闭塞引起的。通过内腔丝线进行的MCAO模型被认为是模仿人类缺血性中风的最具有临床相关性的外科模型,它具有小的颅骨开窗创伤、稳定的再灌注控制能力以及高再现性等优势。这个模型最早由Jinichi Koizumi在1986年报道,由Enrique Zea Longa在1989年修改,对缺血性中风的研究产生了深远的影响。
Koizumi的方法(MCAOKM)和Zea Longa的方法(MCAOLG)之间的主要区别在于丝线插入到脑动脉的路径,以及随后的脑血流量(CBF)恢复程度。具体来说,对于MCAOLG,通过插入颈外动脉(ECA)来实现MCA的闭塞,并通过双侧颈总动脉(CCA)对缺血组织进行再灌注。但是,对于MCAOKM,通过CCA插入丝线来阻断MCA,并通过Willis环的对侧CCA实现再灌注。    
Fig1 Koizumi (MCAOKM)和Zea Longa (MCAOLG) 方法在建立MCAO模型及其病理生理学上的区别
Koizumi (MCAOKM) 方法:
小鼠或大鼠全身麻醉,在颈部做一个切口,暴露颈总动脉(CCA)、颈内动脉(ICA)和颈外动脉(ECA)。
  • 分离血管:分离并结扎 ECA,然后在 CCA 和 ICA 的分叉处做一小切口。
  • 插入线栓:通过这个切口将一根尼龙线栓插入 ICA,推进到大脑中动脉(MCA)的起始部,阻断 MCA 的血流。
  • 固定线栓:将线栓固定在适当位置,确保 MCA 完全闭塞。
Zea Longa (MCAOLG) 方法:
小鼠或大鼠全身麻醉,在颈部做一个切口,暴露 CCA、ICA 和 ECA。
  • 分离血管:分离并结扎 ECA,然后在 CCA 和 ICA 的分叉处做一小切口。
  • 插入线栓:通过这个切口将一根尼龙线栓插入 ICA,推进到 MCA 的起始部,但不完全进入 MCA。
  • 固定线栓:将线栓固定在适当位置,部分阻断 MCA 的血流。    

病理生理学差异

1. 梗死范围:
  • MCAOKM 方法:由于线栓完全阻断 MCA,导致较大的梗死区域,通常包括纹状体和背外侧皮层。梗死面积较大,约为半球的40±5%。
  • MCAOLG 方法:由于线栓部分阻断 MCA,导致较小的梗死区域,主要影响纹状体。梗死面积较小,通常为20-30%。
2. 缺血程度:
  • MCAOKM 方法:完全闭塞 MCA 导致严重的缺血,神经功能损伤更为严重。
  • MCAOLG 方法:部分闭塞 MCA 导致中度缺血,神经功能损伤相对较轻。
3. 操作难度:
  • MCAOKM 方法:需要更精细的操作来确保线栓完全阻断 MCA,技术要求较高。
  • MCAOLG 方法:操作相对简单,线栓不需要完全进入 MCA,技术要求较低。
4. 术后恢复:
  • MCAOKM 方法:由于梗死面积较大,术后恢复较慢,死亡率较高。
  • MCAOLG 方法:由于梗死面积较小,术后恢复较快,死亡率较低。
5. 适用性:
  • MCAOKM 方法:适用于研究严重缺血引起的广泛脑损伤和相关病理生理机制。
  • MCAOLG 方法:适用于研究中度缺血引起的局部脑损伤和相关病理生理机制,以及评估潜在治疗方法的效果。    
Koizumi (MCAOKM) 方法和 Zea Longa (MCAOLG) 方法在建立大脑中动脉闭塞(MCAO)模型时的主要区别在于手术操作的细节和由此导致的病理生理学差异。MCAOKM 方法通过完全闭塞 MCA 产生较大的梗死区域,适用于研究严重缺血的情况;而 MCAOLG 方法通过部分闭塞 MCA 产生较小的梗死区域,适用于研究中度缺血的情况。选择哪种方法取决于具体的研究目的和实验设计。

手术步骤

1. 动物麻醉与固定
麻醉:一般选用大鼠等实验动物,通过腹腔注射合适的麻醉剂进行全身麻醉。麻醉过程中要密切观察动物的呼吸、心跳等生命体征,避免麻醉过深导致动物死亡或麻醉过浅动物在手术中苏醒。
固定:将麻醉后的动物仰卧位固定于手术台上,四肢用胶带或手术专用固定装置固定,头部用立体定位仪或头架固定,确保头部位置稳定,便于手术操作。
2. 颈部皮肤消毒与切开
消毒:使用碘伏等消毒剂对颈部皮肤进行常规消毒,消毒范围要足够大,一般以切口为中心,半径约3-5cm的区域。
切开:在颈部正中线做一纵行切口,长度约2-3cm。切开皮肤时要注意力度,避免切得过深损伤颈部的肌肉、血管和气管等结构。使用钝性分离的方法,将皮下组织和肌肉层分离,暴露颈动脉鞘。
3. 分离血管
颈动脉鞘内含有颈总动脉、颈内动脉和颈外动脉。小心地使用显微镊子和显微剪,先分离出颈总动脉,再沿颈总动脉向上分离出颈外动脉和颈内动脉。分离过程中要避免过度牵拉血管,防止血管痉挛或损伤。可以使用蘸有生理盐水的棉球轻轻擦拭血管周围组织,以更好地暴露血管。    
4. 插入栓线
这是MCAO模型制作的关键步骤。将预先准备好的栓线(如直径约0.2  0.25mm的尼龙线,头端可经过加热处理使其变得光滑圆润),从颈外动脉残端插入。将栓线缓慢地沿着颈外动脉到颈总动脉到颈内动脉的方向推进,直到感觉到有轻微阻力,此时栓线头端一般到达大脑中动脉起始部,阻断大脑中动脉的血流,从而实现大脑中动脉闭塞。在插入栓线过程中,动作要轻柔、缓慢,角度要准确,避免穿破血管造成颅内出血。

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5. 固定栓线与缝合伤口
栓线插入到位后,将颈外动脉残端与栓线用丝线轻轻结扎固定,防止栓线移位。然后依次缝合肌肉层和皮肤。缝合皮肤时要注意对合整齐,避免伤口裂开或感染。
通过高压灭菌对所有手术工具进行消毒。使用70%乙醇对手术台和相关设备进行消毒。使用5%异氟醚麻醉8-12周龄的小鼠(体重25-30克),使用V10麻醉系统。麻醉诱导后,将异氟醚水平降低并维持在1.5%。将小鼠仰卧位放置在加热垫上。插入直肠探头,并使用TR200恒温温度系统(Fine Science Tools Inc., Foster City, CA)监测并维持体温在36.5-37.5°C之间。使用电动剃须刀剃除小鼠腹部颈部的毛发以暴露皮肤。使用70%乙醇对手术部位进行三次消毒。在立体解剖显微镜下,进行1厘米长的中线颈部切口。使用牵引器暴露手术区域,并识别右侧颈总动脉(CCA)、颈外动脉(ECA)和颈内动脉(ICA)。小心地从周围神经和筋膜中分离动脉。进一步解剖ECA,并使用双极电凝器凝固ECA及其甲状腺上动脉(STA)分支。在凝固段处切断ECA和STA。在ECA残端上松散地打两个80丝线结。在CCA分叉成ECA和ICA处使用血管钳。使用Vannas式弹簧剪刀在ECA残端末端做一个小切口。测量并记录尖端弄圆的50单丝缝合线的长度。将缝合线插入切口并推进到钳子处。收紧两个丝线结,使其足够紧以固定但保留内置单丝缝合线的移动性。从分叉处移除钳子。轻轻地将单丝缝合线从ECA的管腔推进到ICA,超过CCA分叉处9-10毫米,以闭塞MCA的起始端。手术持续时间约为30-45分钟。缝合颈部切口,将小鼠放置在35°C的护理箱中从麻醉中恢复,并将其放回笼子。小鼠通常需要5-10分钟从麻醉中恢复。在诱导MCAO后的24小时,使用5%异氟醚麻醉小鼠,并通过颈椎脱位处死,收集大脑。在冰上的大脑矩阵(Braintree Scientific)上将大脑冠状切成四个2毫米厚的切片。将大脑切片在室温下在2%的2,3,5三苯基四氮唑氯化物(TTC)中在1X PBS中孵化20分钟,以确定梗死的大小和范围。将大脑切片固定在4°C的10%中性缓冲福尔马林溶液中,直到成像。    
由MCAO产生的梗死主要出现在纹状体和背外侧皮层。纹状体比大脑皮层对缺血更为敏感。30分钟的MCAO仅会在纹状体产生梗死,而超过一小时的MCAO则会损害纹状体和皮层。在24小时永久性MCAO后,总的梗死百分比约为半球的40±5%,手术后的死亡率约为10%。如果在手术过程中出现大量出血、手术时间超过90分钟、小鼠在麻醉后15分钟内未能恢复,或者在死后检查时发现脑切片或Willis环基底部有出血,将排除这些小鼠进行进一步研究。    
24小时永久性MCAO后TTC染色脑切片(冠状面14级)的代表性图像
在活组织中,TTC被脱氢酶酶促还原为1,3,5三苯基甲臜(TPF),呈现红色,而在坏死区域由于缺乏这种酶活性,TTC保持白色。因此,梗死区域可以通过其白色来识别,这是由于TTC未能转化为TPF所致。注意:TTC在一定程度上对热和光不稳定,因此应尽可能保护染色切片免受热和光的影响。
- MACO模型手手术过程详解(视频版) -

中风后行为评估的多种测试

1. 步态分析(Gait Analysis):
通过分析小鼠的行走模式,评估其运动协调性和步态异常。
MCAO后的动物通常表现出步态不稳和步幅变化。
2. 转棒实验(Rotarod Test):
评估小鼠在旋转杆上的平衡能力和运动协调性。
MCAO后的动物通常在转棒上停留的时间较短,表明其平衡能力下降。
3. 爬杆实验(Pole Test):
评估小鼠从垂直杆上转向并爬下的能力,反映前肢和后肢的功能。
MCAO后的动物完成任务所需的时间较长,且动作不协调。

4. 粘贴移除实验(Adhesive Removal Test):
评估小鼠感知和移除贴在鼻子上的小片胶带的能力,反映感觉和运动功能。
MCAO后的动物移除胶带所需的时间较长,表明感觉和运动功能受损。    
5. 阶梯实验(Staircase Test):
评估小鼠从一个狭窄的阶梯上取食物的能力,反映精细运动技能。
MCAO后的动物在获取食物时表现出困难,成功率较低。
6. 梯子横梁实验(Ladder Rung Test):
评估小鼠在梯子上行走时的步态和足部放置,反映运动协调性和步态控制。
MCAO后的动物在梯子上行走时表现出步态异常和足部放置错误。

7. Morris水迷宫(Morris Water Maze, MWM):
评估小鼠的空间学习和记忆能力。
MCAO后的动物在找到隐藏平台的时间更长,表明空间学习和记忆能力受损。

在所有这些测试中,经过MCAO处理的小鼠的表现通常不如对照组动物。这些行为学测试可以全面评估中风后小鼠的运动协调性、平衡能力、感觉功能、精细运动技能以及空间学习和记忆能力。这些测试结果有助于更好地理解中风对小鼠行为的影响,并为开发新的治疗方法提供依据。

注意事项

1. 动物选择与术前准备
动物选择:实验动物的体重、年龄和健康状况等因素对模型制作的成功与否和实验结果有重要影响。一般选择体重在250-300g左右的成年健康大鼠,要求动物在术前无明显的神经系统疾病和其他严重疾病。
术前准备:动物要在手术前禁食12-24小时,但不禁水,以减少术中呕吐和误吸的风险。同时,手术器械要严格消毒,准备好足够的手术用品,如缝线、栓线、棉球、生理盐水等。    
2. 手术操作过程中的注意要点
防止出血:颈部血管丰富,在分离血管和插入栓线过程中很容易引起出血。一旦出现出血,要及时用棉球压迫止血。如果是小血管出血,压迫一段时间后一般可以止血;如果是较大血管破裂出血,可能需要进行结扎止血,但要注意避免影响其他血管的正常血流。
避免血管痉挛:手术操作的刺激容易导致血管痉挛,影响血流。在分离和操作血管时,可以用预热(37℃左右)的生理盐水或含有血管扩张剂(如罂粟碱)的溶液局部湿润血管,以减少血管痉挛的发生。
严格无菌操作:手术过程中要严格遵守无菌原则,防止术后感染。手术人员要戴无菌手套,手术器械和手术区域要进行充分消毒。术后可以适当给予抗生素预防感染。
3. 术后护理与观察
动物护理:术后将动物放置在温暖、安静、通风良好的环境中。动物苏醒后可以给予适量的水和食物,但要注意观察动物的进食和饮水情况。如果动物出现吞咽困难等异常情况,可能需要通过胃管等方式进行喂食。
神经功能观察:密切观察动物的神经功能状态,这是判断模型是否成功的重要指标。可以通过观察动物的行为,如肢体活动、平衡能力、对侧肢体偏瘫情况等来评估脑缺血后的神经功能损伤程度。常用的神经功能评分方法包括Longa评分法等,按照一定的时间间隔(如术后6小时、12小时、24小时等)进行评分记录。
 并发症观察:注意观察动物是否出现并发症,如颅内出血、感染、呼吸衰竭等。如果发现动物出现异常症状,如呼吸急促、抽搐、伤口红肿渗液等,要及时进行处理。    
将一根50单丝缝合线(Harvard Apparatus, Holliston, MA)剪成20毫米长的段。在烧灼器(Braintree Scientific, Inc., Braintree, MA)附近加热,将每段的尖端弄圆。使用千分尺(Applied Image Inc., Rochester, NY)测量尖端的直径。使用最终尖端直径为0.21-0.22毫米的缝合线,适用于体重25-30克的小鼠。
体温维持的重要性:
  • 在进行MCAO手术期间以及麻醉恢复前,维持小鼠的体温是非常重要的。体温对梗死范围有显著影响:
  • 低温(低体温):可以减少梗死面积。
  • 高温(高体温):会增加梗死面积。
暴露和分离血管时的注意事项:
  • 在暴露和分离颈总动脉(CCA)和颈外动脉(ECA)时,需要注意以下几点以避免损伤附近的迷走神经和气管:
  • 避免损伤迷走神经:迷走神经位于 CCA 和 ECA 附近,损伤它可能导致心率减慢和其他并发症,进而增加梗死面积并降低存活率。
  • 避免损伤气管:气管损伤可能导致呼吸困难和其他严重问题,同样会影响实验结果。
插入单丝缝线的注意事项:
  • 在插入单丝缝线(尼龙线栓)时,必须非常小心,以避免造成不必要的损伤:
  • 插入深度:不要将单丝缝线插入超过分叉点10毫米。如果插入过深,可能会穿破前脑动脉,导致脑出血。    
  • 感觉阻力:当缝线推进到分叉点后约910毫米时,通常会感觉到阻力。这时应停止推进,并确认插入的距离。
  • 确认距离:如果感觉到阻力,应立即停止推进,并通过测量或其他方法确认插入的距离,确保没有过度插入。
  • 在进行MCAO手术时,维持小鼠的正常体温是至关重要的,因为体温变化会影响梗死的大小。此外,在暴露和分离血管时要特别小心,避免损伤迷走神经和气管。插入单丝缝线时,不要超过10毫米,以防止穿破前脑动脉导致脑出血。这些操作细节对于确保实验的成功和结果的准确性非常重要。

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