Summary

نموذج مغلق الرأس يتم التحكم فيه كهرومغناطيسيا لإصابات الدماغ الرضحية الخفيفة في الفئران

Published: September 28, 2022
doi:

Summary

يصف البروتوكول إصابات الدماغ الرضحية الخفيفة في نموذج الفأر. على وجه الخصوص ، يتم شرح بروتوكول خطوة بخطوة للحث على إصابة خفيفة في الرأس المغلق في خط الوسط وتوصيف النموذج الحيواني بشكل كامل.

Abstract

هناك حاجة إلى نماذج حيوانية قابلة للتكرار للغاية لإصابات الدماغ الرضحية (TBI) ، مع أمراض محددة جيدا ، لاختبار التدخلات العلاجية وفهم آليات كيفية تغيير TBI لوظائف الدماغ. يعد توفر نماذج حيوانية متعددة من إصابات الدماغ الرضية ضروريا لنمذجة الجوانب والشدة المختلفة لإصابات الدماغ الرضية التي تظهر في البشر. تصف هذه المخطوطة استخدام إصابة الرأس المغلقة في خط الوسط (CHI) لتطوير نموذج فأر من إصابات الدماغ الرضية الخفيفة. يعتبر النموذج خفيفا لأنه لا ينتج آفات دماغية هيكلية تعتمد على التصوير العصبي أو فقدان الخلايا العصبية الإجمالي. ومع ذلك ، فإن تأثير واحد يخلق ما يكفي من الأمراض بحيث يكون الضعف الإدراكي قابلا للقياس على الأقل 1 شهر بعد الإصابة. تم تعريف بروتوكول خطوة بخطوة للحث على CHI في الفئران باستخدام تأثير كهرومغناطيسي موجه بشكل مجسم في الورقة. تشمل فوائد نموذج CHI المعتدل لخط الوسط إمكانية تكرار التغييرات الناجمة عن الإصابة مع انخفاض معدل الوفيات. تم تمييز النموذج مؤقتا حتى 1 سنة بعد الإصابة بالتصوير العصبي والكيمياء العصبية والعصبية المرضية والتغيرات السلوكية. النموذج مكمل لنماذج الجمجمة المفتوحة ذات التأثير القشري المتحكم فيه باستخدام نفس جهاز التصادم. وبالتالي ، يمكن للمختبرات نمذجة كل من إصابات الدماغ الرضية المنتشرة الخفيفة وإصابات الدماغ الرضية البؤرية المتوسطة إلى الشديدة بنفس التأثير.

Introduction

تحدث إصابات الدماغ الرضحية (TBI) بسبب قوة خارجية على الدماغ ، وغالبا ما ترتبط بالسقوط أو الإصابات الرياضية أو العنف الجسدي أو حوادث الطرق. في عام 2014 ، قررت مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها أن 2.53 مليون أمريكي زاروا قسم الطوارئ لطلب المساعدة الطبية للحوادث المرتبطة بإصابات الدماغالرضية 1. نظرا لأن إصابات الدماغ الرضية الخفيفة (mTBI) تمثل غالبية حالات إصابات الدماغ الرضية ، على مدى العقود العديدة الماضية ، تم اعتماد نماذج متعددة من إصابات الدماغ الرضية ، والتي تشمل انخفاض الوزن ، وإصابة الرأس المغلقة التي يحركها المكبس والتأثير القشري المتحكم فيه ، وإصابة الدوران ، وإصابة قرع السوائل الخفيفة ، ونماذج إصابةالانفجار 2,3. يعد عدم تجانس نماذج mTBI مفيدا لمعالجة الميزات المختلفة المرتبطة ب mTBI التي تظهر في الأشخاص وللمساعدة في تقييم الآليات الخلوية والجزيئية المرتبطة بإصابة الدماغ.

من بين النماذج الشائعة الاستخدام لإصابة الرأس المغلقة ، فإن أحد النماذج الأولى والأكثر استخداما هو طريقة إنقاص الوزن ، حيث يتم إسقاط جسم من ارتفاع معين على رأس الحيوان (مخدر أو مستيقظ)2,4. في طريقة إنقاص الوزن ، تعتمد شدة الإصابة على عدة معايير ، بما في ذلك حج القحف الذي يتم إجراؤه أم لا ، والرأس ثابت أو حر ، ومسافة ووزن الجسم الساقط 2,4. أحد عيوب هذا النموذج هو التباين الكبير في شدة الإصابة وارتفاع معدل الوفيات المرتبط بالاكتئاب التنفسي 5,6. البديل الشائع هو توصيل التأثير باستخدام جهاز هوائي أو كهرومغناطيسي ، والذي يمكن إجراؤه مباشرة على الجافية المكشوفة (التأثير القشري المتحكم فيه: CCI) أو الجمجمة المغلقة (إصابة الرأس المغلقة: CHI). واحدة من نقاط القوة في الإصابة التي يحركها المكبس هي قابلية التكاثر العالية وانخفاض معدل الوفيات. ومع ذلك ، يتطلب CCI حج القحف 7,8 ، وحج القحف نفسه يحفز الالتهاب9. بدلا من ذلك ، في نموذج CHI ، ليست هناك حاجة لحج القحف. كما ذكرنا سابقا ، كل نموذج له قيود. أحد قيود نموذج CHI الموصوف في هذه الورقة هو أن الجراحة تتم باستخدام إطار تجسيمي ، ويتم تجميد رأس الحيوان. في حين أن التثبيت الكامل للرأس يضمن قابلية التكاثر ، إلا أنه لا يفسر الحركة بعد التأثير الذي يمكن أن يساهم في الإصابة المرتبطة ب mTBI.

يصف هذا البروتوكول طريقة أساسية لأداء تأثير CHI باستخدام جهاز تأثير كهرومغناطيسي متاح تجاريا10 في الماوس. يفصل هذا البروتوكول المعلمات الدقيقة المعنية لتحقيق إصابة قابلة للتكرار بدرجة كبيرة. على وجه الخصوص ، يتمتع المحقق بتحكم دقيق في المعلمات (عمق الإصابة ، ووقت السكون ، وسرعة التأثير) لتحديد شدة الإصابة بدقة. كما هو موضح ، ينتج نموذج CHI هذا إصابة تؤدي إلى أمراض ثنائية ، منتشرة ومجهرية (أي التنشيط المزمن للتلف الدبقي والمحوري والأوعية الدموية) ، والأنماط الظاهرية السلوكية11،12،13،14،15. بالإضافة إلى ذلك ، يعتبر النموذج الموصوف خفيفا لأنه لا يحفز آفات الدماغ الهيكلية على أساس التصوير بالرنين المغناطيسي أو الآفات الإجمالية على علم الأمراض حتى بعد عام واحد من الإصابة16,17.

Protocol

تمت الموافقة على التجارب التي أجريت من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوانات (IACUC) بجامعة كنتاكي ، وتم اتباع كل من إرشادات REACH ودليل رعاية واستخدام المختبر أثناء الدراسة. 1. الإعداد الجراحي ملاحظة: يتم إيواء الفئران في مجموعات من 4-5 / قفص ، ويتم ?…

Representative Results

جهاز التصادم الكهرومغناطيسي التجسيمي هذا متعدد الاستخدامات. يتم استخدامه لكل من التأثير القشري المفتوح الذي يتم التحكم فيه في الجمجمة (CCI) أو جراحة إصابة الرأس المغلقة (CHI). علاوة على ذلك ، يمكن تعديل شدة الإصابة عن طريق تغيير معلمات الإصابة مثل سرعة التأثير ، ووقت السكون ، وعمق التأثير ، وط…

Discussion

يتم تضمين عدة خطوات في إعادة إنشاء نموذج إصابة متسق باستخدام النموذج الموصوف. أولا ، من الأهمية بمكان تأمين الحيوان بشكل صحيح في الإطار المجسم. يجب ألا يكون رأس الحيوان قادرا على التحرك بشكل جانبي ، ويجب أن تكون الجمجمة مسطحة تماما مع قراءة bregma و lambda نفس الإحداثيات. يعد وضع قضبان الأذن بشكل…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل المعاهد الوطنية للصحة تحت أرقام الجوائز R01NS120882 و RF1NS119165 و R01NS103785 ورقم جائزة وزارة الدفاع AZ190017. المحتوى هو مسؤولية المؤلفين وحدهم ولا يمثل الآراء الرسمية للمعاهد الوطنية للصحة أو وزارة الدفاع.

Materials

9 mm Autoclip Applier Braintree scientific ACS- APL Surgery
9 mm Autoclip Remover Braintree scientific ACS- RMV Surgery
9 mm Autoclip, Case of 1,000 clips Braintree scientific ACS- CS Surgery (Staples)
Aperio ImageScope software  Leica BioSystems NA  IHC
BladeFLASK Blade Remover Fisher Scientific 22-444-275 Surgery
Cotton tip applicator VWR 89031-270 Surgery
Digitial mouse stereotaxic frame Stoelting 51730D Surgery
Dumont #7 Forceps Roboz RS-5047 Surgery
Ear bars Stoelting 51649 Surgery
EthoVision XT 11.0  Noldus Information Technology NA RAWM 
Fiber-Lite Dolan-Jeffer Industries UN16103-DG Surgery
Fisherbrand Bulb for Small Pipets Fisher Scientific 03-448-21 Head support apparatus
Gemini Avoidance System San Diego Instruments NA Active avoidance
Heating Pad Sunbeam  732500000U Surgery prep
HRP conjugated goat anti-rabbit IgG  Jackson Immuno Research laboratories 111-065-144  IHC
Induction chamber Kent Scientific VetFlo-0530XS Surgery prep
Isoflurane, USP Covetrus NDC: 11695-6777-2 Surgery
Mouse gas anesthesia head holder Stoelting 51609M Surgery
Neuropactor Stereotaxic Impactor Neuroscience Tools n/a Surgery: Formally distributed by Lecia as impact one
NexGen Mouse 500 Allentown  n/a Post-surgery, holding cage
Parafilm Bemis PM992 Head support apparatus
Peanut – Professional Hair Clipper Whal 8655-200  Surgery prep
Povidone-Iodine Solution USP, 10% (w/v), 1% (w/v) available Iodine, for laboratory Ricca 3955-16 Surgery
Puralube Vet Oinment,petrolatum ophthalmic ointment, Sterile ocular lubricant Dechra 17033-211-38 Surgery
Rabbit anti-GFAP  Dako Z0334 IHC
Rabbit anti-IBA1  Wako 019-19741 IHC
8-arm Radial Arm Water Maze MazeEngineers n/a RAWM 
Scale OHAUS CS series BAL-101 Surgery prep
Scalpel Handle #7 Solid 6.25"  Roboz RS-9847 Surgery
Sterile Alcohol Prep Pads (isopropyl alcohol 70% v/v) Fisher Brand 22-363-750 Surgery prep
SumnoSuite low-flow anesthesia system Kent Scientific SS-01 Surgery
10 mL syringe Luer-Lok Tip BD Bard-Parker 302995 Head support apparatus
Timers Fisher Scientific 6KED8 Surgery
Topical anesthetic cream L.M.X 4 NDC 0496-0882-15 Surgery prep
Triple antibiotic ointment Major NDC 0904-0734-31 Post-surgery
Tubing MasterFlex 96410-16 Head support apparatus
Vaporizer Single Channel Anesthesia System Kent Scientific VetFlo-1210S Surgery prep

References

  1. Capizzi, A., Woo, J., Verduzco-Gutierrez, M. Traumatic brain injury: An overview of epidemiology, pathophysiology, and medical management. The Medical Clinics of North America. 104 (2), 213-238 (2020).
  2. Bodnar, C. N., Roberts, K. N., Higgins, E. K., Bachstetter, A. D. A systematic review of closed head injury models of mild traumatic brain injury in mice and rats. Journal of Neurotrauma. 36 (11), 1683-1706 (2019).
  3. Shultz, S. R., et al. The potential for animal models to provide insight into mild traumatic brain injury: Translational challenges and strategies. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 76, 396-414 (2017).
  4. Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury). Nature Reviews Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
  5. Albert-Weissenberger, C., Varrallyay, C., Raslan, F., Kleinschnitz, C., Siren, A. L. An experimental protocol for mimicking pathomechanisms of traumatic brain injury in mice. Experimental and Translational Stroke Medicine. 4, 1 (2012).
  6. Chen, Y., Constantini, S., Trembovler, V., Weinstock, M., Shohami, E. An experimental model of closed head injury in mice: pathophysiology, histopathology, and cognitive deficits. Journal of Neurotrauma. 13 (10), 557-568 (1996).
  7. Dixon, C. E., Clifton, G. L., Lighthall, J. W., Yaghmai, A. A., Hayes, R. L. A controlled cortical impact model of traumatic brain injury in the rat. Journal of Neuroscience Methods. 39 (3), 253-262 (1991).
  8. Schwulst, S. J., Islam, M. Murine model of controlled cortical impact for the induction of traumatic brain injury. Journal of Visualized Experiments. (150), e60027 (2019).
  9. Cole, J. T., et al. Craniotomy: True sham for traumatic brain injury, or a sham of a sham. Journal of Neurotrauma. 28 (3), 359-369 (2011).
  10. Brody, D. L., et al. Electromagnetic controlled cortical impact device for precise, graded experimental traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 24 (4), 657-673 (2007).
  11. Webster, S. J., Van Eldik, L. J., Watterson, D. M., Bachstetter, A. D. Closed head injury in an age-related Alzheimer mouse model leads to an altered neuroinflammatory response and persistent cognitive impairment. The Journal of Neuroscience. 35 (16), 6554-6569 (2015).
  12. Macheda, T., Roberts, K. N., Morganti, J. M., Braun, D. J., Bachstetter, A. D. Optimization and validation of a modified radial-arm water maze protocol using a murine model of mild closed head traumatic brain injury. PLoS One. 15 (8), 0232862 (2020).
  13. Macheda, T., Snider, H. C., Watson, J. B., Roberts, K. N., Bachstetter, A. D. An active avoidance behavioral paradigm for use in a mild closed head model of traumatic brain injury in mice. Journal of Neuroscience Methods. 343, 108831 (2020).
  14. Bachstetter, A. D., et al. Attenuation of traumatic brain injury-induced cognitive impairment in mice by targeting increased cytokine levels with a small molecule experimental therapeutic. Journal of Neuroinflammation. 12, 69 (2015).
  15. Bachstetter, A. D., et al. The effects of mild closed head injuries on tauopathy and cognitive deficits in rodents: Primary results in wild type and rTg4510 mice, and a systematic review. Experimental Neurology. 326, 113180 (2020).
  16. Lyons, D. N., et al. A mild traumatic brain injury in mice produces lasting deficits in brain metabolism. Journal of Neurotrauma. 35 (20), 2435-2447 (2018).
  17. Yanckello, L. M., et al. Inulin supplementation mitigates gut dysbiosis and brain impairment induced by mild traumatic brain injury during chronic phase. Journal of Cellular Immunology. 4 (2), 50-64 (2022).
  18. Bachstetter, A. D., et al. Early stage drug treatment that normalizes proinflammatory cytokine production attenuates synaptic dysfunction in a mouse model that exhibits age-dependent progression of Alzheimer’s disease-related pathology. The Journal of Neuroscience. 32 (30), 10201-10210 (2012).
  19. Zvejniece, L., et al. Skull fractures induce neuroinflammation and worsen outcomes after closed head injury in mice. Journal of Neurotrauma. 37 (2), 295-304 (2020).
  20. Flierl, M. A., et al. Mouse closed head injury model induced by a weight-drop device. Nature Protocols. 4 (9), 1328-1337 (2009).
  21. Yang, Z., et al. Temporal MRI characterization, neurobiochemical and neurobehavioral changes in a mouse repetitive concussive head injury model. Scientific Reports. 5, 11178 (2015).
  22. Petraglia, A. L., et al. The spectrum of neurobehavioral sequelae after repetitive mild traumatic brain injury: a novel mouse model of chronic traumatic encephalopathy. Journal of Neurotrauma. 31 (13), 1211-1224 (2014).
  23. Laskowitz, D. T., et al. COG1410, a novel apolipoprotein E-based peptide, improves functional recovery in a murine model of traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 24 (7), 1093-1107 (2007).
  24. Lloyd, E., Somera-Molina, K., Van Eldik, L. J., Watterson, D. M., Wainwright, M. S. Suppression of acute proinflammatory cytokine and chemokine upregulation by post-injury administration of a novel small molecule improves long-term neurologic outcome in a mouse model of traumatic brain injury. Journal of Neuroinflammation. 5, 28 (2008).
  25. Lillie, E. M., Urban, J. E., Lynch, S. K., Weaver, A. A., Stitzel, J. D. Evaluation of skull cortical thickness changes with age and sex from computed tomography scans. Journal of Bone and Mineral Research. 31 (2), 299-307 (2016).
  26. Kawakami, M., Yamamura, K. Cranial bone morphometric study among mouse strains. BMC Evolutionary Biology. 8, 73 (2008).

Play Video

Cite This Article
Macheda, T., Roberts, K., Bachstetter, A. D. Electromagnetic Controlled Closed-Head Model of Mild Traumatic Brain Injury in Mice. J. Vis. Exp. (187), e64556, doi:10.3791/64556 (2022).

View Video