Международный неврологический журнал №6 (108), 2019

Развитая васкуляризация мозга высших позвоночных является важнейшим элементом обеспечения функционирования центральной нервной системы. Схема такого кровоснабжения у млекопитающих подразумевает наличие четырех сосудистых бассейнов. У мелких животных ангиоархитектоника, формирование магистральных и более мелких артерий мозга, строение стенки похожи с таковыми у человека [1].

Известно, что формирование микроциркуляции мозга напрямую связано с нейрогенезом в результате рабочего взаимодействия нервных центров и сосудисто–капиллярного сопровождения. Плотность и распределение сосудов непосредственно зависят от нейрональной активности мозга [2]. Послойное расположение структурных элементов внутримозговых артерий с формированием перикапиллярного футляра позволяет полноценно функционировать гематоэнцефалическому барьеру, регулировать диаметр капилляров и движение крови. Участки, лишенные такого барьера, расположены в зоне гипоталамуса, третьего и четвертого желудочков и, как у человека, содержат тонкостенные фенестрированные капилляры [3, 4].

Для экспериментального моделирования церебральной ишемии человека используются мелкие и крупные животные. Для адекватного экспериментального церебрально–васкулярного повреждения у животных необходима информация о сравнительно–структурных и топографических соотношениях, строении артериального круга большого мозга, а также о морфометрии сосудистых показателей, что позволит объективно и точно экстраполировать имеющиеся такого рода данные на человека.

Известно, что у белой крысы замкнутый виллизиев круг встречается в 75 % случаев. Калибр каждой внутренней сонной артерии (ВСА) превышает диаметр основной артерии в 1,2 раза, что в сумме составляет увеличение кровотока в 2,4 раза. Е.И. Бонь, Н.Е. Максимович (2018) [2] указывают, что основной приток крови к мозгу (до 90 %) осуществляется по ВСА, что закономерно и для человека [5]. Помимо этого, у 50 % животных артериальный круг большого мозга может выглядеть в виде цифры 8 в результате смыкания каудальных соединительных сосудов дополнительной соединительной артерией. Характерна выраженность коллатерального кровотока. Следует учитывать, что у крысы регистрируется высокое содержание гемоглобина (16 г/100 мл) [2]. Тем не менее сходство источников строения и топографии сосудистой системы, основных гемодинамических параметров является серьезным основанием использования данных моделирования сосудистой патологии мозга у крыс [6, 7].

В процессе развития экспериментальной неврологии разработано достаточное количество опытных моделей, в том числе для исследования острых и хронических сосудистых дисгемий, факторов риска, механизмов развития цереброваскулярной патологии, доклинической апробации новых диагностических и лечебных методик.

Большинство моделей позволяют решить конкретные задачи изучения регенерационных процессов, степени тяжести повреждения нервной системы, тестирования различных нейротропных, ноотропных, вазоактивных и других средств, а также стратегий терапии с доказанной эффективностью.

В этом плане использование мелких животных является оптимальным [5–7], что связано с особенностями строения и функционирования сосудистой системы, этической приемлемостью (против крупных животных), доступностью измерения основных физиологических параметров жизнедеятельности, размерами животных, что уменьшает затраты на их содержание и питание, а также с высокой пропускной способностью в процессе эксперимента. Ряд патофизиологических механизмов на начальных этапах развития инсульта у человека не может быть изучен, это возможно только в эксперименте при использовании моделей мелких животных. При этом легко достигаются воспроизводимость, контроль и стандартизация, что необходимо для чистоты эксперимента. Кроме этого, следует учитывать легкость создания модификаций, однородность внутри штаммов животных, возможность большого выбора трансгенных особей, расширяющих понимание многих механизмов развития конкретных патологий. Современные модели также направлены на изучение факторов риска сердечно–сосудистых заболеваний, количество которых превышает 180, разработку, их коррекцию и, следовательно, профилактику и предотвращение последствий мозговых катастроф [5, 8–11].

При этом важным направлением совершенствования такого рода моделей является снижение травматичности, материальных затрат в сочетании с гуманностью по отношению к животным [12].

В настоящее время в эксперименте применяются и совершенствуются сложные методы нейровизуализации и функциональной диагностики мелких животных [13], в том числе энцефалографический мониторинг, исследование вызванных потенциалов, состава газов крови, артериального давления и т.д. Причем, как и у крупных млекопитающих, данные измерения могут выполняться одновременно у каждого животного. Удобство наблюдения за сенсорным и моторным поведением и небольшой размер мозга (для быстроты обработки, биохимического, морфологического и другого анализа) также можно расценивать как преимущества работы с мелкими грызунами [13].

Кислородная недостаточность является типичным повреждающим процессом и основой множества других патологических изменений.

Различают гипоксию в результате недостаточности кислорода воздуха, поступления его в организм, транспорта к клеткам, нарушения утилизации (экзогенные, респираторные, циркулярные, гемические, гистологические, смешанные) [14].

Экспериментальные модели гипоксии подразумевают фиксацию времени жизни животных, поведения, потери позы. Наиболее простая методика — помещение крысы в герметическую стеклянную банку соответствующего массе животного объема. Возникают артериальная гипоксемия, уменьшение потребления кислорода в плазме крови и снижение насыщения им гемоглобина. Введение нитрита натрия вызывает гемическую гипоксию с образованием карбоксигемоглобина. Гипобарическая гипоксия изучается в проточно–вытяжной барокамере с подъемом животного со скоростью 25–50 м/с на высоту 8–11 тысяч метров [15].

Остаются приоритеты для исследователей в плане приближения моделей ишемии к соответствующей клинической задаче. При этом возникают трудности из–за гетерогенности этиопатогенетических факторов, вызывающих ишемический инсульт, а также клинической вариабельности, связанной с продолжением, локализацией, тяжестью ишемии, наличием коморбидных системных заболеваний. Большой блок моделей позволяют изучить конкретные факторы риска ишемии и другие расстройства, напрямую коррелирующие с инсультом, что является важным аспектом достоверности получения результатов.

В моделях атеросклероза традиционно используются диетические подходы. Учитывают и другие факторы риска, изменяющие работу эндотелиальных клеток с реакцией ремоделирования стенок сосудов [16]. Используются генетические модели мелких грызунов с активностью гена АроЕ, гиперхолестеринемии (мыши с наличием аpolipoprotein B), а также другие трансгенные животные для изучения липидного метаболизма и ускоренного атеросклероза [17–27].

Следует учитывать, что развивающийся патологический процесс сходен с атеросклеротическим повреждением сосудов человека, однако у мышей не возникают спонтанные тромботические и эмболические полные окклюзии.

Разработаны экспериментальные модели артериальной гипертензии как наиболее важного фактора риска инсультов. T. Nabika et al. указывают на то, что преимущества такого рода модели исключают генетическую гетерогенность, экологические помехи, статистическую недостоверность из–за возможных небольших групп пациентов [28]. Были выведены крысы линии Wistar с повышенным давлением до 180–200 мм рт.ст. к 17–й неделе жизни, в то же время, несмотря на клинику, редко развиваются серьезные проблемы в виде ишемического инсульта (ИИ). Выведены животные с активностью генов, участвующих в вазореактивности, которые изменяют функцию NO с достоверным развитием ИИ на протяжении 9–13 месяцев [29, 30].

Не всегда точный механизм развития артериальной гипертензии ясен даже при наличии уже известного гена у трансгенных крыс. Используются экспериментальные модели фактора, усиливающего атеротромбоз, — гипергомоцистеинемии. При этом концентрацию гомоцистеина плазмы можно повысить в десятки раз, в том числе при разрушении гена CBS — цистатионин бета–синтазы, а также при дефиците кодированного геном определенной оксидоредуктазы [31].

Для исследования механизмов старения как основного фактора развития ИИ выведены мыши линии OXYS, связанные с генетическим повышением чувствительности к оксидантному стрессу. Трансгенные мыши используются в качестве модели болезни мелких сосудов CADASIL [34]. Созданы экспериментальные модели ИИ с использованием показателей метаболизма при свободно–радикальном окислении липидов (ПОЛ) [32]. У крыс максимальное количество активных метаболитов ПОЛ определялось уже в первые часы эксперимента [33–35]. В другой серии опытов, направленных на реперфузию мозга после сосудистой ишемии, зарегистрирована еще большая опасность реоксигенации нейронов со «взрывом» синтеза активных форм кислорода с развитием оксидантного стресса [32, 36, 37–39].

Токсичность, индуцированная гиперактивация нейромедиаторной системы возбуждающих аминокислот, повреждение клеточных мембран и митохондрий, интенсификация процессов липопероксидации, гиперсекреция провоспалительных цитокинов и факторов роста, воспаление, а также апоптоз часто рассматриваются в качестве потенциальных мишеней для разработки схем терапевтического воздействия, что, впрочем, пока не вызывало существенного прорыва в лечении ИИ [33].

Важным направлением экспериментальных моделей ишемии мозга является изучение нарушений функционирования нейротрансмиссии. При этом главная роль отводится глутамату, выброс которого приводит к смерти от возбуждения [40–43]. Формируется замкнутый патологический круг, в котором можно проследить каскад взаимосвязанных патологических реакций с ишемическим повреждением нейронов, усиление выработки возбуждающих нейротрансмиттеров, дефицит макроэргических субстанций, накопление свободного кальция, оксида азота, провоспалительных цитокинов, эндогенных каннабиноидов и прочих субстанций, что, в свою очередь, запускает усиление выраженности процессов липопероксидации [44].

Таким образом, экспериментальные модели можно разделить на две группы:

1. Модели изучения факторов риска ишемии нейронов, которые провоцируют повреждение церебральных сосудов, а также превентивной коррекции.

2. Модели патофизиологического изучения хронической ишемии мозга, ИИ, транзиторных ишемических атак, а также для тестирования терапевтических возможностей препаратов (нейропротекция, нейропластичность, регенерация, реканализация и др.).

В свою очередь, второй пункт последствий острой и хронической ишемии подразделяется еще на два блока моделей:

а) фокальная (очаговая, региональная) ишемия по типу инсульта;

б) глобальная ишемия по типу остановки сердца.

Для создания моделей фокальной ишемии у грызунов используются окклюзии в виде перевязки артерий.

Методика W.А. Pulsinelli моделирует временную ишемию путем перевязки общих сонных артерий (ОСА) и наружной сонной артерии с дополнительной перевязкой позвоночной артерии (ПА) [45].

Методика J. Koizumi предполагает перевязку правых общей сонной и наружной сонной артерий с последующим введением окклюдера через бифуркацию ОСА во внутреннюю сонную до средней мозговой артерии (СМА) и фиксацией окклюдера перевязкой ВСА [46].

Методика Г.З. Суфианова и др. предполагает использование окклюзии сонных артерий путем перевязки общей и наружной сонной артерии и введение окклюдера через общую сонную артерию, а затем во ВСА, а также перевязки ОСА с противоположной стороны [47].

Методика W.А. Pulsinelli [45] в модификации Mitsuo Yamaguchi et al. [48] заключается в одноэтапном переднем подходе с окклюзией четырех сосудов (4VO).

Tamura et al. (1981) предложили окклюзию СМА в проксимальном сегменте с применением субтемпоральной краниотомии [49–51].

Помимо перевязки артерий применяют:

— Термо–, электрокоагуляцию с целью пережигания СМА [52].

— Эндотелин–1–индуцированное сужение артерий мощным вазоконстрикторным пептидом длительного действия, который наносится на открытую артерию (стереотаксис) или на поврехность коры мозга. Разработана методика комбинированного применения эндотелеина и окклюзии ОСА.

— Введение микрофиламентов, при этом оставляют временной интервал, удаляя шовный материал и вызывая реперфузию.

— Использование нити в просвете сосуда в виде вставки нейлонового шва нитью 4/0. Позже подбирают толщину нити и блокируют просвет сосуда [53–55].

— Моделирование окклюзии с помощью филамента СМА по методике J. Koidzumi с допплерографическим контролем, что позволяет контролировать степень и стабильность окклюзии и исключить из эксперимента животных с атипичным церебральным кровотоком.

— Эмболизацию сосудов синтетическими макросферами, что индуцирует большие очаги ишемии, микросферы (декстран, керамика и др.) до 50 мкм (мультифокальные инфаркты) [56].

Окклюзия ВСА аутологичным сгустком крови используется для изучения возможностей тромболитической и реперфузионной терапии. Применяют инъекцию тромбина во внутричерепные сегменты артерий.

— Для фотоиндуцированного (фотоокисления) тромбоза сосудов у крыс производят внутривенное, у мышей — внутрибрюшное введение фотосенсибилизатора. При этом для облучения неповрежденного черепа используется аргоновый лазер либо видимый свет. А в качестве фотосенсибилизатора — водорастворимые ксантеновые красители, в том числе эритрозин В, бенгальский розовый, с λ–индукцией 560 нм [36].

— В современных моделях ишемии мозга также используется введение в различные сосуды яда кобры, человеческих атеросклеротических масс из аорты, тромбоцитарных агрегантов (смесь тромбоцитов и лейкоцитов), а также лазерная коагуляция артерий [36].

— В моделях глобальной ишемии центральной нервной системы используется полная и неполная остановка кровообращения мозга.

— В качестве полной ишемии используется внутрисердечное введение водного раствора хлорида калия, который угнетает сократительную способность и возбудимость миокарда [57].

Применяется декапитация для исследования механизмов работы быстродействующих лекарственных препаратов, а также в биохимических исследованиях [60].

— Накладывание жгута (шейного турникета) или манжетки на шею [58, 59]. Методика эффективна для изучения патологических процессов в гиппокампе и стволе [60].

— Компрессия грудной клетки животного на основе способа моделирования клинической смерти (патент Украины № 28969), после чего проводится сердечно–легочная реанимация [61, 62].

— Моделирование остановки сердца загрудинным клипированием крючком сосудов над сердцем. Полная перевязка/компрессия всех артерий, отходящих от сердца [63].

— Индукция фибрилляции желудочков для имитации остановки сердца.

— Понижение артериального давления (кровопускание) или обескровливания животного с последующим оживлением.

— Лигирование общих сонных и подключичных артерий дистальнее отхождения внутренних грудных артерий и проксимальнее отхождения ПА по методу Розвадовского [64].

М.Б. Плотников и соавт. (2015) [65] использовали два хирургических доступа к левой ОСА, плечеголовному стволу и левой подключичной артерии. Операция осуществлялась в обход плевральной полости для исключения осложнений, пневмоторакса.

Среди мелких грызунов в плане разработки модели ишемического повреждения мозга выделяется песчанка, у которой в сосудистой анатомии отсутствует соединение между основными бассейнами мозга (каротидный и вертебрально–базилярный). Глобальная ишемия может быть вызвана двухсторонней окклюзией сонной артерии. При этом техническое выполнение значительно проще, чем у крыс [56]. Односторонняя окклюзия сонной артерии также вызывает поражение в виде одностороннего инфаркта с тяжелой неврологической симптоматикой в 30–40 % наблюдений.

Модели неполной глобальной ишемии занимают промежуточное положение между фокальной и глобальной ишемией.

Модель по Rice или Rice–Vannucci гипоксической ишемии путем постоянной окклюзии одной ОСА с последующим помещением в атмосферу с малым (не более 8 %) содержанием кислорода. Вариантом является двусторонняя окклюзия двух ОСА. Окклюзия двух или только правой ОСА с последующим снижением в барокамере атмосферного давления до 277 мм рт.ст. с экспозицией 90 минут позволяет изучать гипоксическую гипоксию [56].

Вариантом также является двухсосудистая окклюзия ОСА и гипотензия (в том числе управляемые медикаментозная гипотония или кровотечение) (Onken M. et al., 2012). В этих экспериментах сочетаются элементы гипоксии и ишемии.

Широко используется билатеральная окклюзия двух ОСА по методу Eklof и Siesjo (1972) для изучения энергетического состояния мозга после неполной ишемии (Smith et al., 1984) [66].

В заключение необходимо отметить, что среди разнообразия экспериментальных моделей, решающих проблему изучения сосудистой патологии мозга, существуют определенные трудности. Низкая воспроизводимость ишемического повреждения центральной нервной системы обусловлена анатомическим отличием строения артериального круга большого мозга, в половине случаев — наличием дополнительной соединительной артерии и выраженным коллатеральным кровотоком. Проблемы подбора экспериментального исследования для адекватного воспроизведения инсульта также связаны с полиэтиологичностью, необходимостью определенной анатомической локализации.

Неточность воспроизведения ишемии в определенном регионе мозга возникает при ряде фокальных моделей нарушения мозгового кровообращения.

Сложность хирургического доступа к определенным артериям соответствующего бассейна подразумевает необходимость специальных навыков от исследователя. Агрессивность так называемых поэтапных методик окклюзий нескольких артерий значительно отличается от реальных условий развития инсульта.

Использование различных окклюдеров способствует травматизации, перфорации сосуда с возможными постоперационными осложнениями. Существует необходимость применения специального оборудования, оптических приборов, микроскопа, микрохирургической техники, лазерных или фотооптических установок, барокамеры, термокоагулятора, микрофиламентов с различным покрытием внутрисосудистой части, устройств для индукции фибрилляции желудочков и т.д.

Многообразие анестезиологических методов и средств и их комбинаций также может отрицательно влиять на полученные данные. Эти же обстоятельства относятся и при применении сложной диагностической аппаратуры различной модификации, а также специального лабораторного оборудования и реактивов для исследования вызванных потенциалов, биоэлектрогенеза мозга, скорости кровообращения, сосудистого сопротивления, современных методов нейровизуализации и др., что затрудняет сравнение и трактовку показателей исследований.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии какого–либо конфликта интересов и собственной финансовой заинтересованности при подготовке данной статьи.