片側性腎虚血再灌流傷害の有効マウスモデル

要約

腎虚血再灌流傷害は、入院患者における高い罹患率および死亡率と関連している。ここでは、片側性腎虚血再灌流傷害の単純かつ効果的なマウスモデルを提示し、腎臓で観察された代表的な病理学的変化の逐次的な概要を提供する。

要約

虚血再灌流傷害(IRI)は、急性腎不全の主要な原因であり、移植片機能の遅延に大きく寄与している。動物モデルは、 インビボで遭遇するIRI関連損傷の複雑さを模倣する唯一の利用可能なリソースである。本稿では、再現性の高いデータを提供する一方性腎IRIの効果的なマウスモデルについて述べる。虚血は、右腎椎弓根を30分間閉塞し、続いて再灌流することによって誘発される。外科的処置に加えて、腎IRIに続く予想される生理学的および組織病理学的変化の逐次的な概要は、7つの異なる再灌流時間(4時間、8時間、16時間、1日、2日、4日、および7日)からのデータを比較することによって提供される。平均手術時間、平均麻酔薬消費量、時間の経過に伴う体重変化など、事前に実験を計画するための重要なデータが共有されます。この研究は、研究者が信頼できる腎IRIモデルを実装し、意図した調査目標に沿った適切な再灌流時間を選択するのに役立ちます。

概要

腎臓は体内で最も高い灌流器官の1つであり、血液灌流の変化に非常に敏感です¹。腎虚血再灌流傷害(IRI)は依然として急性腎不全^2,3の主要な原因であり、入院患者における高い罹患率および高い死亡率と関連している⁴。利用可能な治療選択肢が限られている^ため、4,5腎IRIは現在、新しい治療標的の開発と腎損傷の早期および感受性マーカーの特性評価を目指した生物医学^6,7におけるいくつかの研究努力の焦点である8,9,10 .信頼性が高く、時間と費用対効果の高い動物モデルを特定することは、これらのニーズを満たすために不可欠であると考えられています。この論文は、片側腎IRIのシンプルで効果的なマウスモデルを提示する。虚血は、右腎椎弓根のクランプによって30分間^{誘発される11,12}。このモデルの重要な部分は、尿細管壊死、多形核炎症性細胞浸潤、線維症などの関心のある病理学的事象を再現する最も適切な再灌流時間を選択することです。したがって、研究者は、IRI腎臓において予想される代表的な病理学的変化のこの逐次的な概要を提供される。

プロトコル

以下のプロトコールは、生存手術について記載する。したがって、最高の無菌および外科的実践が適用される。すべての動物実験は、施設ガイドラインに準拠して実施され、施設動物ケアおよび使用委員会によって承認された。IRI効果における性別および系統ベースの差異を排除するために、雄のC57BL6マウスのみが研究に使用された。全ての動物を、同等の結果を得るために年齢および体重において一致させた。

1. 準備

注:さまざまな実験段階と介入のタイムラインを 図1Aに示します。

1. 各処置の前に手術台を清掃し、消毒する。必要なすべての材料(滅菌器具および綿棒、滅菌ガーゼおよびドレープ、予め希釈された麻酔薬、加熱パッド、滅菌血管クランプ、滅菌生理食塩水、皮膚消毒剤および縫合糸)を準備し、手術台に置く( 材料表を参照)。
2. ケタミン/キシラジン(それぞれ100 mg/kgおよび20 mg/kg体重、滅菌生理食塩水で予め希釈)の腹腔内注射により、雄のC57BL6マウス(年齢範囲11〜13週)を麻酔する。
   注:ストレス応答が麻酔薬の作用に悪影響を及ぼす可能性があるため、動物のストレスを最小限に抑えるには、熟練した動物の取り扱いが不可欠です。
3. ケタミン/キシラジン投与後、カミソリの刃と石鹸で右脇腹の手術領域を剃ります。
   注:皮膚を剃ることは、創傷治癒および生存手術の一般的な転帰を改善する。
4. 最初に70%アルコールで手術領域の皮膚を消毒し、次に綿棒を使用してポビドンヨウ素溶液で消毒します。
5. 皮膚の準備後、マウスを腹側褥瘡位置の加熱テーブルの上に置き、体温を37°Cに安定させます(直腸およびパッドセンサープローブを介して監視)。
   注:腎臓は、側方ではなく腹側の褥瘡に置かれると、より簡単にアクセスでき、外科的に露出します。
6. 体温が安定している間、マウスの目に眼軟膏を塗布する。
   注:ケタミンなどの解離性麻酔薬は、麻酔をかけている間、動物の目を開いたままにします。

2. 手術

1. 疼痛反射がなくなったら(ピンセットでつま先をつまむ)、メス刃を使用して右脇腹に約1cmの背側外科的切開を行う。最後の肋骨の後ろの切開を開始し、腰椎正中線に平行に約1cm尾方向に続けます。
2. はさみを使用して腹部筋肉組織を経抜し、後腹膜腔を視覚化する。滅菌綿棒を使用して筋肉の切片化中に生成された少量の血液を除去する。
   注:背側方アプローチが使用されるため、腹腔ではなく後腹膜にこの手順でアクセスします。
3. 右腎臓を腹腔から押し出します。Graefe鉗子を使用して腎臓を慎重に露出させます。
   注:腹部に置いたときに腎臓の外傷性損傷を避けるために、鉗子を常に閉じたままにし、腎臓を外科的切開部に向かって慎重に押して導くためにのみ使用してください。
4. ゆっくりと右の腎臓を露出させ、腎椎帥を識別します。慎重にペディクルの周りの脂肪組織を除去します.
5. 虚血を誘発するには、血管クランプを腎椎弓に存在する腎動脈および静脈の上に置き、隣接する尿管をクランプすることを避ける。血管クランプを操作するためにハルステッドモスキート止血剤を使用してください。
   注:虚血は、腎臓の色が赤ピンクから濃い紫色に変化したことを視覚化することによって確認されます(図1B)。
6. 乾燥を避けるために生理食塩水に浸した滅菌ガーゼで締め付けた腎臓を覆い、30分間放置する。
7. この間、ガーゼの麻酔の深さと湿度を定期的に監視します。
   注:麻酔の誘導用量は、虚血事象の終わりまで鎮痛を提供するのに十分である。したがって、追加の麻酔薬注射は必要ありません。
8. 虚血期間が終わる直前に、ガーゼを取り出し、腎臓を明らかにします。ハルステッドモスキート止血剤を持ち、クランプを取り外す準備をします。
9. 30分で、止血器で血管クランプを開き、腎臓の再灌流を可能にするために腎椎弓根から取り外す。
   注:再灌流は、腎臓の色が濃い紫色から赤ピンク色に変化したことを視覚化することによって確認されます(図1C)。
10. 腎椎帥を締め付けずに偽の動物について上記と同じ手順を実行します。
11. 腎臓の色の変化を確認した後、腎臓を腹腔に戻します。十字状パターンを用いて吸収可能な縫合糸5-0で腹筋を閉じる。
    注:筋肉および皮膚の縫合中に鎮痛を維持するために、麻酔薬の2回目の注射が必要な場合があります。初期用量の半分は、手術の終了まで鎮痛を提供するのに有効であることが証明されている。
12. 水平マットレスパターンを使用して吸収性縫合糸5-0で皮膚を閉じる。綿棒を使用してポビドンヨウ素溶液で創傷をきれいにする。

3. 回復と手術後

注:手術後の時間は実際の再灌流時間であるため、適切な手術後のケアは倫理的に必須であり、科学的に関連性があります。再灌流時間は、研究者の要求に応じて選択することができる。4時間、8時間、16時間、1日、2日、4日、および7日の再灌流時間を比較して、腎IRIによって誘導される病理学的変化の逐次的な概要を得る。

1. マウスが麻酔から回復し始めるまで、マウスを加熱パッドの上に置きます。
   メモ: マウスが脚を動かし始め、動き回ろうとするまで待つことをお勧めします。手術中に追加の麻酔薬注射が必要な場合、回復時間はより長くなります。α-2受容体アンタゴニストであるアチパメゾールは、キシラジン効果を逆転させ、回復期を短縮するために、腹腔内に0.5mg / kg体重の用量で投与することができる。疼痛管理のために、ブプレノルフィン(体重0.1mg / kg、腹腔内)は、術前および回復期および手術後の段階で6時間ごとに投与される。非ステロイド性抗炎症薬の使用は、このファミリーのいくつかの薬物が腎毒性を誘発し、したがって結果を変える可能性があるため、推奨されない。
2. 麻酔から回復した後、水と食物に自由にアクセスできる状態でマウスをケージに戻します。
   注:マッシュドフードは、ペトリ皿だけでなく、隠して遊ぶための材料(紙シート、ペーパータオルチューブなど)でも提供できます。
3. 創傷治癒、食物および水分摂取量、体重、および行動を評価するために、マウスを毎日監視する。
   注:創傷治癒状態は、以下の尺度を用いて評価した:1、乾燥;2、濡れた;3、部分的に開いた。4、開いた。この研究では、迅速な創傷治癒が文書化され、2日目以降に乾燥創傷の90%以上が記録されました。

4. 安楽死とサンプル採取

1. マウスの麻酔薬用量(100mg / kg)の2倍の用量で腹腔内に投与されたペントバルビタールナトリウムでマウスを安楽死させる。
2. 必要に応じて流体および組織サンプルを収集します。
   注:腎臓、全血(血球数用)、血清(血液生化学用)、尿、心臓、肺の両方を採取した。血液生化学分析(血中尿素窒素(BUN)、クレアチニン、電解質)には数マイクロリットルの血清が必要です。必要に応じて、安楽死の24時間前に、マウスを代謝ケージに入れて、腎機能パラメータの決定を可能にするより高い尿量を収集することができる。

結果

生理学的パラメータ
マウスは、この片側腎IRI手術から無事に回復した。活発で警戒しているように見えた。翌日までに正常な飲食行動を示した。一部のマウスはIRI後の体重減少を有する可能性があるが、通常は初期体重の10%未満である(図2)。体重減少(˃10%)が大きいと有害になる可能性があり、これらの動物は研究から除外する必要があります。Sham手術マウスは、手術後の体重変化を示さなかった(手術後24時間で測定)。ほとんどのマウスは、手術後4日目から7日目の間に初期体重を回復した(IRI 7日目群、 図2参照)。腎機能は、血中尿素窒素(BUN)およびクレアチニンなどの伝統的なマーカーを用いて評価することができる。さらに、血清中の電解質レベル(ナトリウム、カリウム、塩化物)および自動差血球数が分析に含まれた。

病理組織学的変化
病理組織学的所見の評価は、ヘマトキシリン/エオジン(HE)、過ヨウ素酸シッフ、およびマッソンのトリクローム染色で染色された腎臓の4%パラホルムアルデヒド固定パラフィン包埋矢状部分全体を用いて行われた。この片側腎IRIモデルによって生じる最も明白な変化は、皮質 - 髄質接合部、特に近位尿細管、ヘンレループの太い上行肢、および遠位畳み込み尿細管、ならびに管状間質において見ることができる( 図3の凡例を参照)。腎臓におけるIRIに続く最も特徴的な病変を示す顕微鏡像は、 図3に見ることができる。逐次病理組織学的所見のリストを 表1に示す。

管状の傷害スコアリングシステムが開発され、時間の経過とともに損傷を分類しました(図4)。この中で、5つの定義された変化が3つの異なる評価者によって評価された:1)管状上皮減衰;2)ブラシボーダーの損失;3)尿細管壊死;4)管腔閉塞;5)タンパク質性キャストの存在。"1" の代入は変更が存在することを示し、"0" は変更が存在しないことを示します。

図1:マウスにおける実験的腎IRIモデル (A)実験および介入(麻酔誘導、虚血、および再灌流)の段階を示す。虚血中の右腎臓の色が濃い赤(B)から再灌流中のピンク色(C)に変化しますのでご注意ください。(D)手術後24時間後の同じ動物の対側非IRI腎臓と比較したIRI右腎臓(赤矢印)の巨視的外観。(B)中の赤い矢印は止血クランプの位置を示す。略語: IRI = 虚血再灌流傷害。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:腎IRI前後のマウスの体重。 個々のデータが表示されます。略語: IRI = 虚血再灌流傷害;h = 時間;d = 日数。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:IR手術マウスの皮質および皮質 - 髄質接合部で観察された典型的な顕微鏡的病変。 偽りと異なる再灌流時間が示されています(各画像の上に示されています)。(A)無傷の構造は偽物で示されている(倍率40倍;スケールバー= 20μm)。IRI 4時間の矢印は、管状内腔におけるタンパク質性キャストの存在を示す(倍率40x;スケールバー=20μm)。IRI 8時間の矢印は管状拡張を示す(倍率40x;スケールバー=50μm)。IRI 16時間の黒い矢印は、髄質セグメントにおける管状キャストを示す。白い矢印は細胞壊死の領域を示す(倍率40倍;スケールバー=50μm)。IRI 1 dの黒い矢印は管状拡張(倍率10倍、スケールバー=100μm)を示す。IRI2 dにおける黒い矢印は、拡大した細胞核を示す;白い矢印は、リンパ球およびマクロファージ浸潤の領域を示す(倍率40倍;スケールバー=50μm)。IRI 4 dにおける白い矢印は、有糸分裂管状細胞を示す(倍率40倍;スケールバー=50μm)。IRI 7 dの黒い矢印は、局所線維症の領域を示す;白い矢印は再生領域を示す(倍率20倍;スケールバー=100μm)。(b)早期再灌流中(4時間、8時間、および16時間)のマウスの腎皮質を示すPAS染色。ブラシの境界線(矢印)の累進減衰に注意してください。倍率40倍;スケールバー=50μm(C)偽およびIRI 7dマウスのマッソントリクローム染色は、間質線維症の領域を示す(白矢印)。倍率40倍;スケールバー = 50 μm。略語: IRI = 虚血再灌流傷害;グロ = 糸球体;PCT = 近位畳み込み細管;DCT = 遠位畳み込み細管;CD = 収集ダクト;PAS = 過ヨウ素酸シッフ;d = 日。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:偽マウスおよびIRI手術マウスの管状傷害スコア。 管状上皮減衰のためのスコアリングシステムスケール1〜5;ブラシボーダーの損失;尿細管壊死;管腔閉塞;タンパク質性キャストの存在。"1" の代入は変更が存在することを示し、"0" は変更が存在しないことを示します。個々の値が表示されます。バーは平均±SD(n=4)を表す。略語: IRI = 虚血再灌流傷害。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

IRIの後の時間	最も重要な病理学的変化
4 時間	管状閉塞
	内腔内のタンパク質キャスト
8 時間	管状拡張
	初期壊死
	上皮の減衰
16時間	細胞壊死
	管状鋳造
	好中球浸潤
1 日	壊死
	管状拡張
	好中球浸潤
2日間	管状拡張
	リンパ球およびマクロファージ浸潤
	細胞核の拡大
4日間	尿細管細胞における顕著な有糸分裂活性
7日間	局所線維症
	再生領域

表1:経時的な最も重要な病理学的変化。 1群4~6匹の顕微鏡検査に基づいて診断。

ディスカッション

マウス腎IRIモデルは、その比較的低い運用コストおよび多様なトランスジェニックモデルの利用可能性のために、生物医学研究において人気がある¹²。ここで提示する片側腎IRIモデルは、尿細管拡張、壊死、線維症などのヒト腎IRIに観察された特徴的な病理学的変化を模倣している¹³。これらの結果は、さまざまな再灌流時間に基づいています。

このプロトコルの重要なステップには、一定の体温の維持および腎椎帥における血管クランプの正しい配置が含まれる。体温は動物の代謝¹⁴に影響を与え、生理学的および細胞的レベル¹⁵の両方で実験結果を変化させる。このモデルでは、直腸およびパッドセンサープローブを使用して手術前に体温を安定させた。さらに、特に虚血を誘発するために血管クランプを配置する前に、外科的処置全体を通して体温の継続的なモニタリングを強く推奨する。

腎臓の露出および血管クランプの適切な配置も、実験の成功にとって重要である。外科的切開による腎臓の曝露中の鉗子の不適切な取り扱いによる腎嚢への損傷は、腎周囲出血および炎症をもたらす。血管クランプは、尿管および上腎動脈に影響を与えることなく、腎動脈および腎静脈を閉塞する腎椎弓根上に配置すべきである。このステップにとって重要なのは、腎丘鞘を囲む脂肪組織の慎重な解剖である^14,16。

このモデルは、コストと時間に効果的です。マウス1匹あたりの麻酔消費量は、予め希釈されたケタミン/キシラジンカクテル(1:10ケタミン、1:50キシラジン、生理食塩水中;原液濃度、100mg/mLの両方)の37.88μL(平均±SD、n = 17)に対して156.47±であった。手術は比較的短期間で行うことができます。マウス1匹あたりの総手術時間は53±5.23分であった(平均±SD、n = 17)。訓練を受けた人員により、複数の手術を同時に行うことができます。私たちのグループでは、経験豊富な研究者の一人が腎椎弓からクランプが解除されるまで手術を行い、2人目の研究者が創傷閉鎖からマウスの回復まで引き継ぎました。このアプローチにより、1日に多数の手術を行うことができました。このモデルでは、正中線アプローチと比較して、外傷が少なく、腹腔からの流体および熱損失が低減された背外側アプローチを使用した¹⁶。

以前に公表されたプロトコールは、マウスにおいて急性腎障害を誘導する腎椎弓根クランプ技術を記載している¹⁷、^18、19。しかし、これらの研究では、虚血時間が15〜26分の範囲の片側IRIに加えて、対側腎摘出術が行われた。このプロトコールでは、対側腎臓を維持しながら30分間片側虚血を誘導した。これにより、生存率は100%となりました。しかしながら、このモデルは、非外科的に介入された対側腎臓によって発揮される代償作用に部分的に起因してアゾテミック腎障害を誘発するのには適していない。しかし、同じ動物で1つの腎臓を影響を受けないようにすることは、より高い生存率でより長い虚血時間を使用するという利点を提供する。これに加えて、対側腎臓は、実験手順中に適用された試験薬または治療の可能性のある副作用を評価し、腎臓 - 腎臓クロストーク効果を研究するために利用することができる^20,21。例えば、このモデルは、IRIおよび非外科的に介在する腎臓¹¹における細胞レベルでの活性酸素種誘発性変化を示すのに有用であった。

このモデルは、片側性腎障害、腎クロストーク効果、腎IRI誘発血行動態変化、および腎IRIで使用される薬物候補の潜在的な腎毒性作用のマーカーを同定し、特徴付けることを目的とした研究において潜在的に応用される可能性がある。主な病理学的変化のこの詳細な説明は、炎症および壊死(4時間〜2日)から再生(4日)および線維症(7日以降)まで、特定の細胞プロセスを研究するのに最も適した時間を選択するための貴重なツールとして役立つ。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Atipamezole hydrochloride	Penn Veterinary Supply, Inc., PA, USA	PVS8700	5 mg/mL
Buprenorphine	Penn Veterinary Supply, Inc., PA, USA	PRMBURPEN22	0.3 mg/mL
Commercial euthanasia solution	various suppliers	na	e.g., Euthasol Virbac (sodium pentobarbital 390 mg/mL + sodium phenytoin 50 mg/mL)
Eye ointment Puralube	Dechra Veterinary Products, KS, USA	na	3.5 g (1/8 oz)
Heating pad RightTempJr	Kent Scientific, CT, USA	RT-JR-20	Consider the one with two temperature probes
Ketamine hydrochloride	Penn Veterinary Supply, Inc., PA, USA	VED1220	100 mg/ml
S&T Vascular clamp	Fine Science Tools, Inc., Germany	00398-02	Jaw dimensions: 5.5 x 1.5 mm; length: 11 mm
Sterile Disposable Towel Drapes	Kent Scientific, CT, USA	SURGI-5023-3	Disposable, individualy packed
Surgical instruments (Graefe forceps, Halsted-Mosquito hemostat, scissors, etc)	Fine Science Tools, Inc., Germany	Various	Consider the extra fine straight scissor and the angled Graefe forceps
Vicryl suture	Ethicon US, LLC	J493G	Size 5-0
Xylazine hydrochloride	Penn Veterinary Supply, Inc., PA, USA	VAM4821	100 mg/mL