Method Article
雄SDラットにおけるストレプトゾトシン誘発糖尿病創傷モデルは、現在、I型糖尿病における創傷治癒を研究するために最も広く使用されているモデルである。このプロトコルは、このモデルの構築に使用されるメソッドを記述します。また、潜在的な課題を提示して対処し、糖尿病性創傷の進行と血管新生の特徴を調べます。
ラットの背側への単回高用量のストレプトゾトシン注射とそれに続く全層皮膚切除は、1型糖尿病創傷の動物モデルを構築するための一般的な方法です。ただし、不適切な操作は、ラットのモデルの不安定性と高い死亡率につながる可能性があります。残念ながら、1型糖尿病創傷モデリングに関する既存のガイドラインはほとんどなく、詳細が不足しており、特定の参照戦略を提示していません。したがって、このプロトコルは、1型糖尿病創傷モデルを構築するための完全な手順を詳述し、糖尿病創傷の進行および血管新生特性を分析する。1型糖尿病創傷モデリングには、ストレプトゾトシン注射の準備、1型糖尿病の誘発、および創傷モデルの構築が含まれます。創傷後7日目および14日目に創傷面積を測定し、ラットの皮膚組織を抽出して病理組織学的および免疫蛍光解析を行った。その結果、55mg/kgのストレプトゾトシンによる1型糖尿病は死亡率の低下と成功率の高さと関連していることが明らかになった。血糖値は誘導後5週間で比較的安定していた。糖尿病性創傷治癒率は、7日目および14日目の通常の創傷よりも有意に低かった(p < 0.05)が、どちらも14日目に90%以上に達することができた。正常群と比較して、14日目の糖尿病性創傷の表皮層閉鎖は不完全であり、再上皮化を遅らせ、血管新生が有意に低かった(p < 0.01)。このプロトコルに基づいて構築された1型糖尿病創傷モデルは、正常なラット創傷と比較して、閉鎖不良、再上皮化の遅延、血管新生の減少など、慢性創傷治癒の特徴を有する。
1型糖尿病(T1DM)は、高血糖と膵臓β細胞の破壊を特徴とする慢性代謝性疾患です1。T1DM創傷は慢性的な非治癒性創傷であり、ヒトにおける糖尿病の最も一般的で壊滅的な合併症です2,3。動物モデルは、創傷治癒中の病理学的変化および潜在的な治療薬の安全性および有効性を研究するための最も適切なプロトタイプである4。他のタイプと比較して、オスのSprague-Dawley(SD)ラットはストレプトゾトシン(STZ)に対してより敏感であり、関連する死亡率が低いため、糖尿病性創傷研究で人気があります5,6。
T1DM創傷モデルを構築するための多数の方法が記載されている。T1DMモデルに関しては、研究は主に糖尿病誘発の成功率に対するSTZ注射法の効果に焦点を合わせてきました7,8。ただし、モデリングプロセスでは、この同じステップの動作に一貫性がありません。ある研究では、ラットはSTZ注射の前に18時間絶食しました。STZ注射の1週間後に血糖値が16.67 mmol / Lを超えるラットは糖尿病と見なされ、糖尿病性創傷は3週間後に導入されました9。逆に、関連する研究では、ZhuらSTZ注射の前にラットを12時間絶食させた。注射後72時間で血糖値が16.7 mmol / Lを超えるラットは糖尿病と見なされ、糖尿病性創傷は4週間後に導入されました10。全体として、STZ注射プロトコル、糖尿病診断基準、および創傷導入時間には矛盾があります。
創傷モデリングに関しては、ほとんどの研究では、糖尿病誘発が成功した後にT1DM創傷を構築するために背側皮膚の全層が切除される11、12、13。このモデルはラットの皮膚拘縮の影響を受けやすいが、労働集約的ではなく安価であるため、創傷治癒研究で最も一般的に使用されるモデルである14,15。それにもかかわらず、この全層切除技術に関する方法誘導研究は不足しています。さらに、創傷のサイズと位置に関する既存の研究には統一された基準はありません12,16。創傷の大きさおよび位置は、実験デザインの一貫性および結果の科学的妥当性に間接的に影響し得る。したがって、研究者の参考資料として、T1DM誘導および創傷モデリングのための標準プロトコルが緊急に必要とされている。この研究の目的は、T1DM創傷研究の参照として使用できるT1DM創傷モデリングのための特定のプロトコルを視覚化することです。
議定書はヘルシンキ宣言に続いて実施され、すべての動物実験は成都中医薬大学の管理委員会によって承認されました(記録番号2021-13)。
1.ストレプトゾトシン注射の準備
2. T1DMモデルの誘導
3. 創傷モデルの構築
4. ImageJソフトウェアによる創傷面積の計算
5. ヘマトキシリンおよびエオジン(H&E)染色
6. CD31免疫蛍光染色
7.統計分析
合計10匹のSDラットが、T1DMモデルを誘導するために1回のSTZ腹腔内注射を受けました。1匹のラットが早期に死亡した(10%)が、すべてのラットで糖尿病が誘発された(100%)。STZ注射の3日後、すべてのラットの血糖値は16.7 mmol / Lを超え、血糖値は誘導後5週間で安定しました(図3A)。糖尿病群の体重はSTZ注射後に徐々に増加したが、3週目に減少し、その後4週目から再びゆっくりと増加した(図3B)。対照的に、正常群のラットの体重は着実に増加し、糖尿病誘発後3日目の平均体重は糖尿病群よりも高かった(図3B)。糖尿病ラットはすべて、Haoらの所見と同様に、喉の渇き、多尿、体重減少の典型的な症状を示しました17。
創傷後7日目および14日目に、肉眼的分析により、再上皮化は糖尿病群よりも正常群のラットでより顕著であることが明らかになりました(図4A)。定量的結果は、7日目と14日目に糖尿病群で正常群よりも創傷治癒率が有意に低いことを明らかにしました(p < 0.01)。しかし、14日目には、創傷治癒率は糖尿病群でも90%を超える可能性があります(p < 0.05、 図4B)。これは、T1DM創傷モデルが閉鎖不良を特徴とするが、ヒト糖尿病創傷に見られる慢性的な非治癒の程度ではないことを示唆している。
創傷治癒14日目のH&E染色では、糖尿病群では正常群と比較して、創傷表皮の不完全さ、ケラチノサイトの増殖の遅さ、再上皮化の遅延が認められた。糖尿病性創傷は毛包および皮脂腺の部分的な喪失を示した。また、目に見える毛細血管も少なかった(図5)。
糖尿病は、内皮細胞機能障害、細胞外マトリックスタンパク質のグリコシル化、および血管除神経を引き起こします18。これらの合併症は、糖尿病創傷における創傷血管新生を正常よりも低くする結果をもたらす18。血管新生は創傷治癒に必要であり、創傷血管新生はCD31免疫染色によって頻繁に分析されます(図6A)19,20。CD31発現の平均光学密度(AOD)に基づくと、創傷部位での血管新生は、糖尿病群よりも正常群で有意に高かった(p < 0.01、図6B)。
図1:固定具で固定されたラットの写真。 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:ラットの創傷位置の図。 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:実験ラットの血糖値と体重。 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:実験ラットの背中の全身皮膚創傷(直径20mm)。 (A)0日目、7日目、および14日目の創傷の肉眼的外観。0日目、7日目、および14日目の創傷形態画像をデジタルカメラで撮影した。(B)創傷面積をImageJソフトウェアを用いて測定し、創傷治癒率の算出に用いた。創傷治癒率(%)は、(初期創傷面積−指示時点における創傷面積)/初期創傷面積×100として算出した。値は、SD ±平均値として表されます (n = 14)。統計的有意性は** p < 0.01および* p < 0.05に設定した。 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5:創傷確立後14日目の代表的な病理組織学的H&E画像。 青い矢印は毛細血管を示します。赤い矢印はケラチノサイトの増殖を示す。左スケール:1バー= 200μm;右スケール:1バー= 100μm。 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6:CD31の発現に関する免疫蛍光染色分析。 CD31レベルは、血管新生の状態を決定するために使用されました。(a)糖尿病群および正常群におけるCD31免疫蛍光染色の代表的な画像。各皮膚サンプルの積算光学濃度(IOD)値とピクセル面積(AREA)は、Image-Pro Plus 6.0ソフトウェアで計算されました。平均光学密度(AOD)値(AOD = IOD/面積)も導出されました。AOD値はCD31の陽性発現に正比例した。(B)糖尿病群と正常群におけるCD31陽性発現の定量的比較。データはSD±平均値として表されます。 ** p < 0.01。スケール:1バー= 200μm。 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。
このプロトコルは、T1DM創傷モデリングにおける係争中の操作を明確にする。STZ注射プロトコル、T1DM誘導の成功基準、血糖安定化時間、および創傷の位置とサイズに関する懸念は、この作業で対処されています。さらに、T1DM創傷治癒評価のための病理学的特徴と測定可能なパラメータが明らかにされた。
ラットは、STZの有効性に影響を与える可能性のあるグルコースまたはその類似体のβ細胞への競合結合を回避するために、STZ注射の前に18時間絶食しました。T1DMを誘導するために最も一般的に使用される方法は、膵島を損傷し、インスリン分泌を減少させることによって血糖値を上昇させるSTZの単回高用量である21。実験前の試験では、高い成功率と低い死亡率のための最適なSTZ用量は55 mg / kgであり、以前の研究で報告された最適用量よりも低いことが明らかになりました22,23,24。このプロトコルでは、T1DMは55 mg / kgのSTZの腹腔内注射を使用して誘導されました。
血糖値はSTZ注射後3日目に16.7 mmol / Lを超えていた。ただし、STZ注射後7日目の血糖値が16.7 mmol / Lを超えることは、膵島損傷の程度がラットによって異なり、診断時間を適切に延長することで偽陰性率を低下させる可能性があるため、T1DMモデリングを成功させるための推奨基準です。さらに、血糖値の変動はSTZ注射の5週間後に安定し、ラットはこの期間中に徐々に体重が増加し、以前の所見と一致しました25,26。これは、T1DMモデルの血糖値が少なくとも6週間安定する必要があり、6週間後のラット体重の増加が創傷モデリング中の死亡率を低下させることを示しています。したがって、このプロトコルは、STZ注射の8週間後に創傷モデリングを実施しました。
創傷後7日目および14日目の創傷閉鎖率は、正常な創傷群よりも糖尿病患者で有意に低く、治癒が遅いことを示している。さらに、創傷再上皮化および血管新生は、正常群よりも糖尿病患者において有意に低かった。これは、T1DM創傷モデルが正常なラットよりも遅い創傷治癒および遅延再上皮化を示すことを示し、これは創傷血管新生の減少の病理学的変化に関連している可能性がある。しかし、14日目には、T1DM創傷治癒率も90%を超えており、これはヒト糖尿病創傷の慢性非治癒特性とは異なる。これは、げっ歯類の創傷治癒の生理学的メカニズムが人間のそれとは異なるためである可能性があります27。したがって、最良の創傷直径は少なくとも20mmであり、糖尿病創傷研究における介入の有効性を評価する時間を確保するのに十分な大きさである。創傷の位置は、肩甲骨と脊椎を避ける必要があります, これらの2つの部位の連続的な動きは創傷治癒を妨げる可能性があるため.
結論として、このプロトコールの方法を用いたT1DM創傷モデルの構築は有効である。このプロトコルは、正常なラット創傷と比較して、創傷治癒の遅延、再上皮化の遅延、血管新生の減少など、慢性糖尿病創傷の特徴のいくつかを再現します。しかし、このモデルが糖尿病性創傷の他の慢性表現型を再現できるかどうかは不明である。さらに、このプロトコルは、ラットにおける皮膚収縮の問題を考慮しない、最も基本的で広く使用されている方法を記載している。将来の研究では、創傷スプリントの使用をこのプロトコルに組み込むか、慢性糖尿病創傷の追加モデルを調査することができますが、これは将来の研究者にとって重要な課題となるでしょう。
すべての著者は、この原稿には利益相反がないことを宣言します。
この研究は、中国国家自然科学基金会(82104877)によって財政的に支援されました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Antifade mounting medium | Southern Biotechnology Associates, Inc. | 0100-01 | |
AutoFluo Quencher | Servicebio Technology co., Ltd. | G1221 | |
Automatic slide stainer | Thermo Fisher Scientific Inc. | Varistain™ Gemini ES | |
CD31 | Servicebio Technology co., Ltd. | GB11063-2 | |
Citrate antigen retrieval solution | Servicebio Technology co., Ltd. | G1201 | |
Cover glass | Citotest Labware Manufacturing Co., Ltd. | 10212432C | |
DAPI | Servicebio Technology co., Ltd. | G1012 | |
Decolorization shaker | Scilogex | S1010E | |
Depilatory cream | Guangzhou Ruixin Biotechnology Co., Ltd. | — | |
Dimethyl benzene | Chengdu Kelong Chemical Co., Ltd. | 64-17-5 | |
Drug oscillator | Shenzhen Jiashi Technology Co., Ltd. | VM-370 | |
Electric razor | Shanghai Flyco Electrical Appliance Co., Ltd. | FC5908 | |
Embedding machine | Wuhan Junjie Electronics Co., Ltd. | JB-P5 | |
Ethanol absolute | Chengdu Kelong Chemical Co., Ltd. | 1330-20-7 | |
Fitc-labeled goat anti-rabbit IgG | Servicebio Technology co., Ltd. | GB22303 | |
Goat serum | Thermo Fisher Scientific Inc. | 16210064 | |
Hematoxylin and eosin staining solution | Beijing Regan Biotechnology Co., Ltd. | DH0020 | |
Image J software | National Institutes of Health | — | |
Microwave oven | Midea Group Co., Ltd. | M1-L213B | |
Mini centrifuge | Scilogex | D1008 | |
Neutral balsam | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10004160 | |
PBS buffer | Biosharp | G4202 | |
Portable blood glucose meter | Sinocare Inc. | GA-3 | |
Rapid tissue processor | Thermo Fisher Scientific Inc. | STP420 ES | |
Rat fixator | Globalebio (Beijing) Technology co., Ltd | GEGD-Q10G1 | |
Slicing machine | Thermo Fisher Scientific Inc. | HM325 | |
Slides glass | Citotest Labware Manufacturing Co., Ltd. | 80312-3181 | |
sodium citrate buffer | Beijing Solarbio Science & Technology Co., Ltd. | c1013 | |
Streptozotocin | Sigma | 57654595 |
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