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Introducimos un en vivo imagen método utilizando dos diferentes tintes fluorescentes para seguir la dinámicos cambios vasculares espinales tras una lesión contundente de la médula espinal en ratas Sprague-Dawley adultas.
Lesión de la médula espinal (SCI) causa significativa interrupción vascular en el sitio de la lesión. Patología vascular se produce inmediatamente después de SCI y continúa a lo largo de la fase aguda de la lesión. De hecho, las células endoteliales parecen ser el primero en morir después de un contundente SCI. Los primeros eventos vasculares, incluyendo aumento de la permeabilidad de la barrera sangre-medular (BSCB), inducen el edema vasogenic y contribuyan a eventos perjudiciales lesión secundaria causadas por mecanismos de lesiones complejas. Dirigidos a la disrupción vascular, por lo tanto, podrían ser una estrategia clave para reducir la cascada de lesión secundaria que contribuyen a trastornos histológicos y funcionales después de la médula espinal. Estudios anteriores fueron realizados sobre todo en muestras post mortem y eran incapaces de capturar los cambios dinámicos de la red vascular. En este estudio, hemos desarrollado un en vivo duo-color dos fotones método imagenológico para monitorear los cambios dinámicos vasculares agudos tras contundente SCI. Este enfoque permite detectar el flujo sanguíneo, diámetro del vaso y otras patologías vasculares en varios sitios de la misma rata antes y después de la lesión. En general, este método proporciona un lugar excelente para investigar la dinámica vascular.
Lesión traumática de la médula espinal (SCI) es una lesión común que conduce a deterioro de la función de motor, sensorial y autónoma. Según la nacional médula espinal lesión estadística centro (NSCISC) en el año 2016, aproximadamente 282.000 personas fueron afectadas, mientras que 69% de ellos eran principalmente debido a accidentes de tráfico o caídas1. Estos pacientes a menudo requieren de cuidados intensivos; sin embargo, no hay tratamiento eficaz está disponible. Por lo tanto, se necesitan urgentemente nuevas estrategias eficaces hacia SCI.
SCI se divide principalmente en dos fases: lesión primaria y lesión secundaria. La lesión primaria comprende el insulto físico causando necrosis hemorrágica en el sitio de impacto2, seguido de una serie de eventos de lesión secundaria, tales como inflamación, apoptosis celular y desmielinización de los axones restantes, que progresivamente a la expansión del déficit funcional y morfológica3,4,5,6. La hemorragia es el primer signo visible de la lesión, indicando una interrupción vascular inmediata en la fase aguda de SCI7,8. Una estrategia neuroprotectora para reducir el daño vascular temprano podría mejorar la recuperación de pacientes, pero esto requiere una mejor comprensión del mecanismo fisiopatológico de los primeros eventos vasculares después de la lesión.
A pesar de estudios previos usando varios métodos para el estudio de la vasculatura de la médula espinal, siguen siendo limitaciones significativas. La desventaja más común es estudiar solamente post mortem muestras, por ejemplo, hidrógeno separación9, autorradiografía10, microangiogram8, moldes de corrosión vascular11e immunohistochemistry12 ,13. Aunque flujometría Doppler láser proporciona monitoreo en tiempo real no invasiva de de flujo de sangre de la médula espinal14, es incapaz de distinguir entre los sistemas vasculares y detectar alteraciones morfológicas vasculares. MRI poner en contraste-realzado dinámico (DCE-MRI) también es no invasiva, pero que genera imágenes de baja resolución y requiere una infraestructura costosa15.
Aunque en vivo proyección de imagen usando 2 fotones láser microscopía (2P-LSM) ha sido desarrollado para el estudio de vasodynamics en la corteza16,17,18, tiene un número limitado de estudios demostraron cambios vasculares después de un SCI. Tang et al han mostrado cambios en flujo de sangre en el borde del sitio de la lesión en una Hemisección modelo19, pero la proyección de imagen después de una lesión contundente es más difícil por dos razones. En primer lugar, una ventana óptica de vidrio tradicional sobre el sitio de lesión no sostener el impacto mecánico y siguen siendo funcional para la proyección de imagen. En segundo lugar, la salida del trazador en la parenquimia debido a hemorragia crea dificultad con la proyección de imagen de la lesión.
Aquí presentamos un método de imagen de novela duo-color, que permite obtener imágenes del mismo embarcaciones individuales en momentos antes y después de la lesión. Además, proporciona un perfil temporal espacial de cambios dinámicos vasculares tras un contundente SCI. También tiene el potencial para la proyección de imagen en múltiples puntos del tiempo después de la lesión. Este protocolo se puede aplicar directamente a animales transgénicos para estudiar la interacción de neurovascular.
Se realizaron todos los procedimientos de manejo quirúrgico y animal aprobado bajo la guía para el cuidado y uso de animales de laboratorio (National Research Council) y las directrices de la Indiana University School de medicina institucional Animal Care y el uso Comité.
1. quirúrgico preparación
2. cateterización de la vena yugular externos
3. estabilización columna vertebral y laminectomía C5-C7
4. instalación de dos fotones (2P) proyección de imagen de ventana
5. la inyección del primer colorante fluorescente y proyección de imagen de línea de base
6. C7 lesión contundente con dispositivo de LISA
7. inyección de segundo colorante fluorescente y la proyección de imagen de la lesión
8. animal sacrificio
9. Análisis de datos offline: Cuantificación de diámetros de recipiente
10. línea análisis de datos: Cuantificación de glóbulos rojos (RBC) velocidad de la célula
El método es capaz de monitorizar en vivo dinámica espinal cambios vasculares en vasos individuales pre- y poste-traumática la médula espinal. En primer lugar, se instala un catéter a través de la vena yugular externa para proporcionar el acceso para las inyecciones subsiguientes colorante fluorescente (figura 1A-C, figura 3). En el segundo paso, se utiliza un aparato especializado para estabilizar la expuesta C5-C7 (figura 1-F, figura 2A-B). Este paso de estabilización puede eliminar artefactos de respiración y proporcionar proyección de imagen constante. Tras laminectomía (figura 2), el siguiente paso es la instalación de 2 P imagen ventana sobre C5-C7 (Figura 2D-F). Minimizar el tejido periférico sangrado alrededor de la ventana imagen columna vertebral es fundamental para la proyección de imagen vascular exitosa. El siguiente paso es inyectar colorante fluorescente de rodamina-dextran (rojo) vía el catéter ya mencionado hito y mapa de la red vascular como la línea de base (Figura 3A-B, E). Después de lesión contundente de la línea media de C7 con severidad, FITC-los dextranos (verde) se introduce en los puntos de tiempo deseado después de la lesión (Figura 3A & D). La belleza del método duo-color es que uno todavía puede detectar la estructura vascular utilizando el tinte de segundo cuando el primer tinte ya ha filtrado hacia fuera en parénquima debido a la lesión (figura 3).
Durante la sesión de imágenes es recomendable para mantener el animal en un cojín de calefacción para mantener la temperatura del cuerpo después de la inducción de la anestesia.
Utilizando nuestro método de duo-color, la velocity de diámetro y glóbulos rojos (RBC velocidad) de embarcaciones individuales puede ser medido y calculado. De diámetro, uno puede utilizar ImageJ para medir el buque en su diámetro más grande para 3 repeticiones después de la calibración (figura 4). Para velocidad, imágenes de barrido de línea se miden utilizando el programa de Matlab (MATLAB R2013a) para calcular la velocidad (figura 5) RBC del18. Basado en el diámetro del vaso, morfología y velocidad del flujo de sangre, los vasos se pueden clasificar en 2 categorías: arteria y vena (ver tabla 1).
Figura 1 . Vena yugular estabilización de cateterización y la columna vertebral.
(A) un dibujo esquemático para localizar la vena yugular externa. (B) el catéter especializado de una aguja de calibre 21. La punta era tierra plana y soldada con autógena con un trozo de punta de 2 milímetros de otra aguja de calibre 21. (C) un diagrama esquemático de la cateterización. El extremo distal está ligado en primer lugar, seguido por estabilización del catéter proximal, terminando con la fijación de la aguja junto con el buque (ligadura de vasos, puntas de flecha azul). (D) una imagen del estabilizador de la columna modificado. Aparecerá una ventana de C5-C7 antes laminectomía (E) y después de laminectomy y contundente SCI (F) . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 . Diagrama esquemático de la instalación de la ventana óptica paso a paso.
(A) paso 1: exponer la vértebra por corte de piel y músculo a lo largo de la línea media. (B) paso 2: estabilización de la columna vertebral. (C) paso 3: laminectomía. (D) paso 4: mantener la humedad de la médula espinal mediante la colocación de una pieza de gelfoam empapado de solución salina. (E) paso 5: sellar las brechas con estéril gelfoam y vetbond. Después del secado, una capa de agar pared está construida sobre el borde de la ventana. (F) paso 6: cuando esté listo para la proyección de imagen, eliminar el líquido de inmersión gelfoam y lugar interior P 2 ventana de imagen. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 . La en vivo procedimiento de método duo-color paso a paso.
El procedimiento consiste en 5 pasos (A). Siguiendo el paso 1 y paso 2, un par de marcadores de dextrano con un tamaño de aproximadamente 70 KDa son inyectado en secuencia para etiquetar la vasculatura de la médula espinal antes de (B y C) y después de la contundente SCI (D). (E)-(G) imágenes representativas 2P Mostrar la vasculatura de la médula espinal en el paso 3 al paso 5. Flechas blancas señalan colorante rojo de la primera ola que áreas (F y G), puntas de flecha turquesa Mostrar la salida de la segunda ola el tinte verde (G). Barra de escala = 50 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 . Adquisición y cuantificación de diámetros de vasos espinales.
Después de la preparación, archivos de imagen solo se adquieren bajo microscopia de P 2, junto con archivos XML de los valores calibrados (B). (A) la ecuación muestra el cálculo de "pixel por micrones", basada en valores de zoom óptico. Después de la calibración en ImageJ (C), diámetros de recipiente se miden en 3 puntos en el eje longitudinal antes de (D1) y después (E1) lesiones. (D2) y (E2) muestra los valores medidos. (F) cuantificación de diámetros de recipiente al inicio y 30 minutos después de la lesión. Barra de escala = 50 μm. los datos se muestran como media ± SD, *** p < 0.0001, pruebas de t pareadas de dos colas.Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5 . Adquisición y cuantificación de la velocidad del buque espinal.
Archivos de imagen de barrido de línea se adquieren bajo microscopia de P 2 para calcular velocidades vaso único. (A) un ejemplo de un método para evaluar la velocidad de los vasos sanguíneos RBC y vaso seleccionado. (B) un ejemplo arterial de imagen de barrido de línea y el archivo de trama correspondientes para el cálculo de la velocidad, así como un ejemplo de una vena (C). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Arteria | Vena | |
Morfología | Pared del vaso recto, liso, grueso | Ramas, asperezas |
Velocidad del flujo de sangre | Rápido | Lento pero varía |
Diámetro | 30-80 μm | 100-250 μm |
Tabla 1: Criterios para la identificación de tipos de buque
Un reto para los estudios vasculares después de SCI es la limitación técnica porque las técnicas tradicionales se limita en gran medida a cambios en la estructura vascular en muestras post mortem. Esta novela en vivo imagen método descrito anteriormente permite medición dinámica del flujo sanguíneo y relacionados con parámetros (velocidad y vaso diámetro) 2P-LSM en ratas vivas. También permite la examinación repetida en los mismos conjuntos de vasos en diferentes puntos temporales tras contundente SCI. Anteriores técnicas de imagen de 2 fotones microscopía fueron incapaces de captar estructuras vasculares post traumas debido a la salida de un solo palpador. Nuestro diseño duo-color permite proyección de imagen vascular dinámico para modelos traumáticos. Además, la flexibilidad de este método proporciona una oportunidad para generar un perfil temporal-espacial de los cambios vasculares agudos después de la médula espinal.
Hay varios pasos críticos en nuestra en vivo duo-color método de imagen. En primer lugar, es fundamental para asegurar la estabilidad física de antes de la proyección de imagen de Time-lapse, particularmente reduciendo artefactos de movimiento respiratorio de la médula espinal. Diseñamos la forma de abrazaderas espinales para elevar la altura de la vértebra espinal ligeramente durante la estabilización. Así el movimiento de la médula espinal correlacionar a los animales de respiración puede ser reducido considerablemente (figura 1-F, 2B). Se recomienda comprobar la estabilidad de la médula espinal antes del comienzo de cada sesión de imagen. Si la médula espinal no puede conseguir la estabilidad, el ajuste debe hacerse a la alineación y apriete de las abrazaderas de la médula espinal. En segundo lugar, periférico tejido (hueso, capa de músculo y piel) sangrado en la ventana de imagen podría el riesgo de contaminación de la vista. Para una sesión suave de imágenes, gelfoam y tejido pegamento adhesivo debe aplicarse a los tejidos circundantes para la prevención eficaz. En tercer lugar, los tintes fluorescentes que elegimos tienen un tamaño similar como la albúmina (66 kDa), que es la proteína del plasma sanguíneo principal alto peso molecular. En condiciones homeostáticas, los tintes se conservaron en gran parte dentro de la nave similar como albúmina28. Después de la lesión, los tintes pasan por la estructura endotelial interrumpida y se filtraron en la parenquimia, causando una significativa mayor intensidad fluorescente en el área periférica de la vasculatura (figura 3F-G). Además, hay dos razones por qué elegimos la cateterización de la vena yugular externa. En primer lugar, puede proporcionar una ruta accesible sistemáticamente de la entrega en cualquier momento del experimento. En segundo lugar, puede utilizarse como una vía para la inyección de tratamiento futuro.
Aunque nuestro método en vivo duo-color es capaz de proporcionar un nuevo lugar para estudios de proyección de imagen vasculares traumáticos, es necesario abordar algunas advertencias con respecto a esta técnica. Actualmente, esta técnica está diseñada para evaluar los cambios vasculares en 2 puntos del tiempo (línea de base y 1 punto de tiempo posterior a la lesión), pero es factible cambiar a varios puntos de tiempo si se dispone de canales y tintes fluorescentes adicionales. Aunque hay varios estudios con ventana de vidrio implantado crónica imagen intravital, ninguno de ellos puede proporcionar información de base sobre el mismo buque después de lesión traumática19,29,30, 31,32. A diferencia de estos estudios, nuestra ventana es una ventana de cristal no. Esto es conveniente para la proyección de imagen previa y posterior a la lesión, pero puede ser un reto para el restablecimiento de la ventana para la observación a largo plazo. Nuestras futuras investigaciones está trabajando en la mejora técnica de proyección de imagen de crónica. El sistema vascular se compone de varios tipos de vasos (arteria, vena y capilar) y cada uno es diferente en los aspectos de la morfología y función. Diferenciación entre tipos de buque durante proyección de imagen podría ayudar a provocar un claro patrón de cambios vasculares. El protocolo de arriba depende el observador identificar los vasos basados en morfología y velocidad; sin embargo, un colorante específico de la arteria puede añadirse fácilmente a dar una clasificación más definitiva entre buque tipo33.
Esta técnica es no sólo limitada a evaluaciones en contundente y otros modelos traumáticas, lesión del agolpamiento y lesión por radiación, pero también en estudios centrados en la interrupción de la BSCB, permeabilidad vascular así como cambia. Además de SCI, podría ser utilizado para el estudio de los cambios vasculares siguiendo otras enfermedades neurodegenerativas como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) y esclerosis múltiple (EM). Además, podría ser transferible a un modelo animal transgénico para el estudio de la interacción dinámica neurovascular. Como una herramienta de detección de gran alcance, futuros estudios podrían utilizar la técnica descrita aquí para evaluar la eficacia del tratamiento para la lesión de la médula espinal.
En conclusión, en vivo duo-color método es una herramienta de acercamiento confiable y en tiempo real, en vivo para la evaluación dinámicos cambios vasculares, que es ideal para la caracterización del perfil vascular temporal espacial y detección de tratamientos a reducir los daños secundarios después de la médula espinal.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo fue apoyado en parte por NIH NS059622, NS073636, DOD CDMRP W81XWH-12-1-0562, mérito de premio I01 BX002356 del Departamento de Asuntos Veteranos de Estados Unidos, Craig H Neilsen Fundación 296749, Indiana de la médula espinal y cerebro lesiones Research Foundation ( ISCBIRF) del Estado Departamento de salud de Indiana (019919) y Mari Hulman George fondos de dotación.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Purdue Products Betadine Surgical Scrub | Fisher Scientific | 19-027132 | Skin sterilization |
Ketamine (87.7 mg/kg)/Xylazine (12.3 mg/kg) | Patterson Veterinary | 07-881-9413, 07-890-5745 | Anesthetic agent |
Buprenorphine(0.03 mg/mL) | Patterson Veterinary | 07-891-9756 | Pain relief agent |
Carprofen | Patterson Veterinary | 07-844-7425 | Non-steroidal anti-inflammatory drug |
Dukal Gauze Sponges | Fisher Scientific | 22-415-490 | Skin sterilization |
Decon Ethanol 200 Proof | Fisher Scientific | 04-355-450 | Skin sterilization |
Artificial Tears Eye Ointment | Webster Veterinary | 07-870-5261 | Prevent drying eyes |
Cotton Tipped Applicators | Fisher Scientific | 1006015 | |
Rhodamine B isothiocyanate–Dextran | Sigma-Aldrich | R9379 | Average mol wt 70kDa |
Fluorescein isothiocyanate–dextran | Sigma-Aldrich | 46945 | Average mol wt 70kDa |
Instrument Sterilizer | Fine Science Tools | 18000-50 | for sterilizing surgery tool |
Spine stabilizer set | Custom Manufactured from Norton Neuroscience Institute | Contact Y. Ping Zhang for details. (yipingzhang50@gmail.com) | |
Vetbond | 3M Animal Care Products | 1469SB | Tissue adhesive Glue |
Gelfoam | Henry Schein | 9083300 | Stop bleeding |
Noyes Spring Scissors | F.S.T | 15013-12 | |
Fine Forceps- Dumont #5 | F.S.T | 11254-20 | |
Rongeur | Fine Science Tools | 16021-14 | laminectomy |
Surgical Retractor | Fine Science Tools | 17005-04 | |
Scalpel | Fine Science Tools | 10003-12 | skin cut |
Scalpel Blade #15 | Royal-Tek | BS2982 | skin cut |
micro angled scissors | World Precision Instruments | 500260 | Can be from any vendor |
3-0 vicryl sutures | Ethicon | J393H | Can be from any vendor |
Silk Black Braided Non-Absorbable Suture, 3-0, C-7, Reverse Cutting, 18" | LOOK | 786 | Can be from any vendor |
1 ml syringe | Henke Sass Wolf | 4010.200.V0 | Can be from any vendor |
21 gauge needle | BD | 305165 | Can be from any vendor |
Agar | Sigma-Aldrich | A1296 | Can be from any vendor |
Two-photon Laser Scanning Microscope | Bruker Fluorescence Microscopy | ||
LISA device | Custom Manufactured from Norton Neuroscience Institute | Contact Y. Ping Zhang for details. (yipingzhang50@gmail.com) | |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 158127 | |
HCImage Live | Hamamatsu Corporation | Imaging software | |
PrairieView | Prairie Technologies/Bruker | Two-photon imaging software | |
ImageJ | Image analysis software | ||
Matlab statistics toolbox | The MathWorks, Inc. | https://www.mathworks.com/products/statistics.html?s_tid=srchtitle | Image analysis software |
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