È necessario avere un abbonamento a JoVE per visualizzare questo. Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Method Article
Dimostriamo l'induzione chimica della dilatazione dei grandi vasi sanguigni nei topi come modello per lo studio della disfunzione cerebrovascolare, che può essere utilizzato per la demenza vascolare e la modellazione del morbo di Alzheimer. Dimostriamo anche la visualizzazione del sistema vascolare iniettando un composto di gomma siliconica e fornendo una chiara guida visiva per misurare i cambiamenti nelle dimensioni dei vasi sanguigni.
Il emato-encefalo (BEE) è un sistema cruciale che regola la circolazione selettiva del cervello con la periferia, ad esempio, consentendo ai nutrienti necessari di entrare ed espellere gli aminoacidi o le tossine in eccesso dal cervello. Per modellare il modo in cui la BBB può essere compromessa in malattie come la demenza vascolare (VaD) o il morbo di Alzheimer (AD), i ricercatori hanno sviluppato nuovi metodi per modellare la dilatazione dei vasi. Una BBB compromessa in questi stati patologici può essere dannosa e provocare una disregolazione della BBB che porta a conseguenze spiacevoli e patologiche che influiscono sulla funzione cerebrale. Siamo stati in grado di modificare una tecnica esistente che ci ha permesso di iniettare direttamente nella Cisterna magna (CM) per indurre la dilatazione dei vasi sanguigni utilizzando l'elastasi e interrompere le giunzioni strette (TJ) della BEE. Con questo metodo, siamo stati in grado di vedere varie metriche di successo rispetto alle tecniche precedenti, tra cui la dilatazione costante dei vasi sanguigni, la riduzione della mortalità o il miglioramento del recupero e il miglioramento dell'agente di riempimento/opacizzante, un composto di gomma siliconica, per l'etichettatura dei vasi sanguigni per l'analisi della dilatazione. Questo metodo minimamente invasivo modificato ha avuto risultati promettenti, con un aumento del 19%-32% della dilatazione sostenuta dei grandi vasi sanguigni nei topi da 2 settimane a 3 mesi dopo l'iniezione. Questo miglioramento contrasta con gli studi precedenti, che hanno mostrato un aumento della dilatazione solo a 2 settimane. Ulteriori dati suggeriscono un'espansione sostenuta anche dopo 9,5 mesi. Questo aumento è stato confermato confrontando il diametro dei vasi sanguigni dell'elastasi e del gruppo con veicolo iniettato. Nel complesso, questa tecnica è preziosa per studiare i disturbi patologici che colpiscono il sistema nervoso centrale (SNC) utilizzando modelli animali.
Le cellule endoteliali microvascolari che rivestono i capillari cerebrali sono i componenti principali per la formazione della barriera emato-encefalica (BBB)1, che svolge un ruolo cruciale nella regolazione di ciò che entra o esce dalla circolazione cerebrale con la periferia. I nutrienti essenziali necessari per il tessuto nervoso possono entrare nella BEE, mentre alcuni aminoacidi essenziali come il glutammato vengono espulsi dal cervello, poiché alte concentrazioni possono causare danni neuroeccitatori permanenti al tessuto cerebrale2. In condizioni fisiologiche normali, la BBB limita l'ingresso nel cervello della quantità di proteine plasmatiche come l'albumina 3,4 e la protrombina poiché queste possono avere effetti dannosi 5,6,7. Infine, la BBB protegge il cervello dalle neurotossine che circolano in periferia, come gli xenobiotici provenienti dal cibo o dall'ambiente1. Nel complesso, il danno ai tessuti cerebrali è irreversibile e l'invecchiamento correlato a bassi livelli di neurogenesi8 evidenzia l'importanza della BBB nel proteggere e prevenire qualsiasi fattore che acceleri il processo neurodegenerativo.
Nella dolicoectasia (o dilatazione dei grandi vasi sanguigni), si osserva una diminuzione dell'elasticità dei vasi, che si traduce in cambiamenti morfologici dei vasi, rendendoli così disfunzionali9 e portando a una riduzione del flusso sanguigno nel cervello. Questa riduzione del flusso sanguigno diminuisce successivamente l'apporto di ossigeno e glucosio, innescando in ultima analisi il danno alla BBB attraverso l'attivazione degli astrociti reattivi10. Quando la lamina interna dei vasi sanguigni è danneggiata dalla dolicoectasia11, per l'angiogenesi è necessaria una stimolazione ripetuta del fattore di crescita dell'endotelio vascolare (VEGF). Ciò può portare alla formazione di vasi che perdono e, infine, portare ad un'angiogenesi patologica, caratterizzata dallo sviluppo di vasi difettosi12. Durante l'angiogenesi patologica, quando i vasi sanguigni diventano difettosi, sembra che un meccanismo compensatorio ripristini l'integrità dei vasi sovraregolando le proteine della giunzione stretta. Tuttavia, questo processo può inavvertitamente interrompere la BBB quando l'integrità strutturale di un vaso sanguigno viene persa13. Ciò può verificarsi attraverso un'ulteriore interruzione della BBB e la promozione della produzione di placca amiloide14. Inoltre, le perdite dalla periferia possono causare neuroinfiammazione15, che provoca degenerazione neuronale e conseguente perdita di memoria.
Strutturalmente, la protezione fornita dalla BBB avviene attraverso le giunzioni strette che impediscono agli agenti xenobiotici del sangue di entrare nel cervello. Quando consente a determinate sostanze di entrare nel cervello, la BEE lo fa principalmente attraverso due processi principali, la diffusione passiva o canali specifici (come i canali ionici e i trasportatori)1. Nell'AD, la ricerca ha dimostrato che un sistema vascolare disfunzionale svolge un ruolo significativo nella progressione della condizione12,13. La formazione di placche di amiloide-beta (Aβ) e la neurodegenerazione possono derivare dalla rottura della BBB 12,13 e da disturbi del flusso sanguigno cerebrale16. Una riduzione del flusso sanguigno cerebrale può essere osservata in individui anziani con diagnosi di demenza vascolare e AD17,18. Il danno alla barriera emato-encefalica (BBB) insieme a un flusso sanguigno cerebrale disfunzionale (CBF) può contribuire all'aumento della produzione di concentrazione di Aβ nel cervello, accompagnata dall'infiltrazione di materiali estranei dalla circolazione periferica19.
Per studiare la patogenesi di malattie neurologiche come l'AD e la demenza vascolare (VaD), vengono sviluppati modelli per replicare la malattia. I modelli in vitro sono ampiamente utilizzati, ma mancano dell'ambiente biologico per un'ampia modellazione delle malattie come la popolazione cellulare mista, rendendo così necessaria l'importanza dei modelli in vivo. I topi sono comunemente usati per la loro facilità di manipolazione genetica nel generare proprietà simili a quelle umane (ad esempio, patologia) nella malattia. Con i progressi compiuti finora, c'è ancora un continuo bisogno di modelli migliorati per emulare i fenotipi della malattia come la dilatazione dei grandi vasi e il loro ruolo nell'AD. A tal fine, abbiamo visto un'opportunità e modificato una tecnica che prevedeva l'iniezione di elastasi nella Cisterna magna dei topi20,21. L'elastasi è un enzima che ha dimostrato di smontare l'elastina nel tessuto connettivo22 e nelle giunzioni strette circostanti23. La Cisterna magna è stata scelta come punto di iniezione perché si trova direttamente sopra il cerchio di Willis, il più grande vaso sanguigno del cervello. Iniettando elastasi nella Cisterna magna, possiamo compromettere la BBB e i vasi sanguigni rompendo le giunzioni strette e inducendo la dilatazione dei vasi sanguigni (circolo di Willis)24,25. La combinazione di questa tecnica con l'uso di un modello murino di patologia dell'AD, per una migliore comprensione della patogenesi della componente vascolare dell'AD, può fornire preziose informazioni sulle complesse interazioni e influenze tra queste due distinte patologie.
Studi precedenti hanno dimostrato casi in cui i pazienti mostrano sia le caratteristiche patologiche dell'AD che del VaD, una condizione tipicamente indicata come demenza mista26,27. Pertanto, la comprensione dei meccanismi interconnessi tra le due condizioni può offrire una prospettiva più completa sulla progressione e la manifestazione di queste malattie neurodegenerative, migliorando la nostra comprensione dei meccanismi sottostanti e delle potenziali strategie terapeutiche. A tal fine, dimostriamo l'applicazione dell'elastasi in un modello murino di patologia AD(APP NL-F) per identificare i cambiamenti vascolari.
Per questo studio sono stati utilizzati topiNL-F(3 mesi) che esprimono la placca amiloide umana a livello fisiologico, sebbene questo sistema possa essere utilizzato con qualsiasi modello di roditore. Tutte le procedure per gli animali sono state approvate dal Comitato per la cura degli animali del CAMH (Protocollo #843) ed erano conformi agli standard etici del Canadian Council on Animal Care guidelines. I topi sono stati allevati internamente e mantenuti in un ciclo luce-buio di 12 ore con accesso ad libitum a cibo e acqua.
1. Procedura per l'iniezione di Cisterna magna (CM)
2. Iniezione di mescola di gomma siliconica e raccolta dei tessuti
3. Analisi quantitativa
4. Rimozione della mescola di gomma siliconica mediante disidratazione alcolica
NOTA: È importante disidratare il cervello per aiutare a rimuovere il composto di gomma siliconica in eccesso dal vaso sanguigno che può potenzialmente migliorare la qualità dell'immunocolorazione.
5. Colorazione immunoistochimica
Siamo riusciti a localizzare la Cisterna magna sotto la regione occipitale del cranio dopo aver posizionato attentamente il topo sulla struttura stereotassica e sezionato i muscoli. Questa struttura anatomica, simile a un triangolo rovesciato ed evidenziata in giallo, si trova sotto la base del cranio (Figura 1). Per garantire la precisione e prevenire danni al tessuto cerebrale, 1-2 mm dello smusso della siringa di Hamilton sono stati inseriti delicatamente nella Cisterna magna.
Questo articolo dimostra un protocollo migliorato per la dilatazione cerebrovascolare, fornendo un approccio preciso e diretto per l'iniezione di elastasi nella Cisterna magna dei topi. Questo punto anatomico funge da porta d'accesso diretta al liquido cerebrospinale, offrendo una preziosa via per l'indagine di diverse malattie neurologiche. Uno dei principali vantaggi di questa tecnica modificata è che l'iniezione di una singola dose di elastasi nella Cisterna magna dei topi è stata in grado di causare e sostenere la ...
Non vi è alcun conflitto di interessi.
Questo studio è stato reso possibile dal prezioso contributo di Stephanie Tam che ha fornito supporto nell'assistenza agli interventi chirurgici. Le esprimiamo la nostra sincera gratitudine per il suo aiuto. Il National Institutes of Health (AG066162) per il sostegno a questa ricerca.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
23 G catheter | University Medstore | 2546-CABD305145 | Needed for perfusion (https://www.uoftmedstore.com/index.sz) |
Absolute ethanol | University Medstore | https://www.uoftmedstore.com/index.sz | For removing the microfil |
Betadine scrub | # | https://www.pittsborofeed.com/products/betadine-surgical-scrub | Sterilization |
Betadine solution | Amazon | https://www.amazon.ca/Povidone-Iodine-10-Topical-Solution-100ml/dp/B09DTKJGHW | Sterilization |
Bupivacaine | Provided by animal facility | N/A | Analgesic |
Clippers | BrainTree Scientific Inc | CLP-41590 | Shave fur |
Cotton Q-tip | University Medstore | 1962 | For surgery (https://www.uoftmedstore.com/index.sz) |
Elastase | Sigma-aldrich | E7885 | Used for the dilatation of blood vessel |
Ethanol | University Medstore | 39752-P016-EAAN | Sterilization (https://www.uoftmedstore.com/index.sz) |
Goat anti-mouse 568 | Invitrogen | A11004 | For staining mature neurons |
Graphpad prism 10 | Graphpad prism 10 | https://www.graphpad.com/ | Statistical analysis software |
Hamilton syringe | Sigma-aldrich | 28614-U | Injection elastase |
Heat pad | Amazon | https://www.amazon.ca/iPower-Temperature-Controller-Terrarium-Amphibians/dp/B08L4DBFFZ | Maintain body temperature |
ImageJ software | Fiji Imagej software | imagej.net (USA) | Image analysis software |
Induction chamber | Provided by animal facility | N/A | Anesthesia induction |
Metacam | Provided by animal facility | N/A | Analgesic |
Methyl salicylate | Sigma-aldrich | M6752 | For removing the microfil |
Microfil | Flow Tech, Carver, Massachusetts | https://www.flowtech-inc.com/order/ | Dye (yellow) |
Mouse monoclonal anti-NeuN | Millipore Sigma | MAB377 | For staining mature neurons |
Olympus VS200 slide scanner and VSI software. | Olympus Life Science | https://www.olympus-lifescience.com/en/downloads/detail-iframe/?0[downloads][id]=847254104 | Imaging software |
Paraformaldehyde | University Medstore | PAR070.1 | For protein fixation (https://www.uoftmedstore.com/index.sz) |
Perfusion pump | VWR International | https://pr.vwr.com/store/product/4787969/vwr-variable-speed-peristaltic-pumps | Needed for perfusion |
Scalpel | University Medstore | 2580-M90-10 | For surgery (https://www.uoftmedstore.com/index.sz) |
Stereotaxic | Provided by animal facility | N/A | So secure the animal for surgery |
Surgical scissor | University Medstore | 22751-A9-240 | For surgery (https://www.uoftmedstore.com/index.sz) |
Surgical tape | University Medstore | https://www.amazon.ca/3M-Micropore-Tape-1530-2-Rolls/dp/B0082A9GS2 | Secure the animal on the diaper |
Sutures | University Medstore | 2297-VS881 | For surgery (https://www.uoftmedstore.com/index.sz) |
X2 tweezers | University Medstore | 7731-A10-612 | For surgery (https://www.uoftmedstore.com/index.sz) |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi AutorizzazioneThis article has been published
Video Coming Soon