Objective: Apolipoprotein E (ApoE) represents a main cholesterol carrier and lack of ApoE is associated with increased cholesterol levels, inflammation, and atherosclerosis. Recently, spontaneous cerebral arteriogenesis was characterized in a mouse model of chronic cerebral hypoperfusion. Here, we developed a refined model of chronic cerebral hypoperfusion by using a constitutive ApoE knockout mouse to investigate cerebral collateral vessel growth and hemodynamic impairment in the context of the cardiovascular comorbidities high cholesterol and atherosclerotic disease.
Methods: Chronic cerebral hypoperfusion was induced by unilateral permanent internal carotid artery occlusion (ICAO) or sham surgery in male, ApoE knockout (ApoE-/-) and wildtype (WT) mice aged 12 weeks, as well as in an additional group of ApoE-/- mice aged 16 weeks that received a high-fat diet over the course of 12 weeks prior to ICAO. Over 21 days, cerebral baseline perfusion and acetazolamide-specific cerebrovascular reserve capacity (CVRC) were measured by non-invasive Laser Speckle Imaging. On day 21, animals were perfused with latex/carbon black to allow assessment of the basal and leptomeningeal collateral vasculature. In a separate group, brains were harvested on day 21 for immunofluorescence analysis.
Results: Following ICAO on day 0, ipsilateral resting perfusion and CVRC were significantly reduced in WT and ApoE-/- groups compared to sham (day 0 resting perfusion: WT ICAO 70±6%, ApoE-/- ICAO 71±6%; day 0 CVRC: WT ICAO 13±6%, ApoE-/- ICAO 12±5%; *p<0.05 for ICAO vs. sham). Over the course of the monitoring period, hemodynamic impairment improved in both ApoE-/- and WT groups with complete recovery by day 21. Regarding the collateral vasculature, ApoE-/- ICAO mice showed significant increases in vessel diameters in the anterior, middle, and internal carotid arteries compared to ApoE-/- sham (***p<0.001 for ACA vs. sham; **p<0.01 for MCA and ICA vs. sham). Also, ApoE-/- ICAO mice exhibited a larger overall diameter of leptomeningeal anastomoses compared to ApoE-/- sham (ApoE-/- 23±6µm; *p<0.01 vs. WT ICAO and ApoE-/- sham). In contrast, WT ICAO only showed a significant increase in the ACA diameter compared to WT sham (**p<0.01 vs. sham). Immunofluorescence did not reveal any differences in microvascular density and vessel maturity between groups. All functional and morphological findings were not affected by an additional high-fat diet (HFD) in a separate group of ApoE-/- + HFD ICAO mice. Conclusion: In a mouse model of chronic cerebral hypoperfusion, ApoE knockout led to enhanced collateral formation on day 21 but not microvascular remodeling, which could explain the similar hemodynamic recovery over the course of 21 days compared to sham-treated animals. Overall, this model may serve as a basis for further investigation of the molecular mechanisms of cerebral collateralization in the context of atherosclerotic disease.
Fragestellung: Apolipoprotein E (ApoE) dient als Haupt-Cholesterintransporter; ein Mangel ist mit erhöhten Cholesterinspiegeln, Entzündungen sowie Atherosklerose assoziiert. Kürzlich charakterisierten wir die zerebrale Arteriogenese in einem Mausmodell chronischer zerebraler Ischämie. In dieser Studie etablierten wir ein verfeinertes Mausmodell mit konstitutiven ApoE-Knockout-Mäusen, um das Wachstum zerebraler Kollateralgefäße und hämodynamische Einschränkungen bei kardiovaskulären Komorbiditäten (Hypercholesterinämie, Atherosklerose) zu untersuchen.
Methodik: Chronische zerebrale Ischämie wurde durch einseitigen Verschluss der A. carotis interna (ICAO) oder eine Schein-Operation (Sham) bei 12 Wochen alten, männlichen ApoE-Knockout- (ApoE-/-) und Wildtyp-Mäusen (WT) simuliert. Zusätzlich untersuchten wir 16 Wochen alte ApoE-/- Mäuse, die über 12 Wochen vor ICAO eine fettreiche Diät (HFD) erhielten. Über 21 Tage quantifizierten wir die zerebrale Ruheperfusion sowie die Acetazolamid-spezifische cerebrovaskuläre Reservekapazität (CVRC) mittels Laser-Speckle-Imaging. Am Tag 21 erfolgte eine Latex-/Kohlenstoff-Schwarz-Perfusion zur Beurteilung basaler und leptomeningealer Kollateralen. In einer separaten Versuchsgruppe wurden die Gehirne am Tag 21 für Immunfluoreszenzanalysen entnommen.
Ergebnisse: Nach ICAO am Tag 0 zeigten WT und ApoE-/- Mäuse im Vergleich zu Sham-Mäusen signifikant reduzierte ipsilaterale Ruheperfusion und CVRC (Tag 0 Ruheperfusion: WT ICAO 70±6 %, ApoE-/- ICAO 71±6 % // Tag 0 CVRC: WT ICAO 13±6 %, ApoE-/- ICAO 12±5 %; *p<0,05 ICAO vs. Sham). Im Verlauf der 21-tägigen Beobachtung erholten sich die hämodynamischen Beeinträchtigungen in beiden ICAO-Gruppen (WT und ApoE-/-) vollständig. Bezüglich der Kollateralgefäße wiesen ApoE-/- ICAO im Vergleich zu ApoE-/- Sham signifikante Durchmesserzunahmen der vorderen, mittleren und inneren Carotiden auf (***p<0,001 für ACA vs. Sham; **p<0,01 für MCA und ICA vs. Sham). Zudem war der Durchmesser der leptomeningealen Anastomosen bei ApoE-/- ICAO-Mäusen im Vergleich zu WT ICAO und ApoE-/- Sham-Mäusen erhöht (ApoE-/- ICAO 23±6µm; *p<0,01 vs. WT ICAO und ApoE-/- Sham). Im Gegensatz dazu zeigte WT ICAO nur eine signifikante Zunahme des ACA-Durchmessers (**p<0,01 vs. Sham). Die Immunfluoreszenzanalysen ergaben keine Unterschiede in mikrovaskulärer Dichte oder Gefäßreife. Auch in der zusätzlichen Gruppe von ApoE-/- + HFD-ICAO-Mäusen blieben sämtliche funktionelle und morphologische Befunde unverändert.
Schlussfolgerung: In diesem Modell chronischer zerebraler Ischämie führte der ApoE-Knockout an Tag 21 zu einer verstärkten Kollateralgefäßbildung, jedoch zu keiner mikrovaskulären Umstrukturierung. Dies könnte die vergleichbare hämodynamische Erholung über 21 Tage im Vergleich zu Sham-Tieren erklären. Insgesamt kann dieses Modell als Grundlage für weiterführende Untersuchungen zu den molekularen Mechanismen der zerebralen Kollateralbildung im Kontext atherosklerotischer Erkrankungen dienen.
