Summary

מודל ראש סגור מבוקר אלקטרומגנטי של פגיעה מוחית טראומטית קלה בעכברים

Published: September 28, 2022
doi:

Summary

הפרוטוקול מתאר פגיעה מוחית טראומטית קלה במודל עכבר. בפרט, פרוטוקול שלב אחר שלב לגרימת פגיעת ראש סגורה קלה בקו האמצע ואפיון מודל בעלי החיים מוסבר במלואו.

Abstract

מודלים בעלי חיים בעלי יכולת שחזור גבוהה של פגיעה מוחית טראומטית (TBI), עם פתולוגיות מוגדרות היטב, נחוצים לבחינת התערבויות טיפוליות ולהבנת המנגנונים של האופן שבו פגיעה מוחית טראומטית משנה את תפקוד המוח. הזמינות של מודלים מרובים של בעלי חיים של פגיעה מוחית טראומטית נחוצה כדי למדל את ההיבטים והחומרה השונים של פגיעה מוחית טראומטית שנראים אצל אנשים. כתב היד הזה מתאר את השימוש בחבלת ראש סגורה בקו האמצע (CHI) כדי לפתח מודל עכברי של פגיעה מוחית טראומטית קלה. המודל נחשב קל מכיוון שהוא אינו מייצר נגעים מבניים במוח המבוססים על הדמיה מוחית או אובדן עצבי גס. עם זאת, השפעה אחת יוצרת מספיק פתולוגיה כך שהליקוי הקוגניטיבי ניתן למדידה לפחות חודש לאחר הפציעה. פרוטוקול שלב אחר שלב להשראת CHI בעכברים באמצעות משפיע אלקטרומגנטי מונחה סטריאוטקסית מוגדר במאמר. היתרונות של מודל CHI קו האמצע המתון כוללים את יכולת השחזור של השינויים הנגרמים על ידי פציעה עם תמותה נמוכה. המודל אופיין באופן זמני עד שנה לאחר הפגיעה בשל דימות מוחי, נוירוכימי, נוירופתולוגי ושינויים התנהגותיים. המודל משלים מודלים של גולגולת פתוחה של פגיעה מבוקרת בקליפת המוח באמצעות אותו מכשיר משפיע. לפיכך, מעבדות יכולות למדל גם TBI מפוזר קל וגם TBI מוקדי בינוני עד חמור עם אותו משפיע.

Introduction

פגיעה מוחית טראומטית (TBI) נגרמת על-ידי כוח חיצוני על המוח, הקשור לעתים קרובות לנפילות, פציעות ספורט, אלימות פיזית או תאונות דרכים. בשנת 2014, המרכז לבקרת מחלות ומניעתן קבע כי 2.53 מיליון אמריקאים ביקרו במחלקת החירום כדי לבקש עזרה רפואית עבור תאונות הקשורות לפגיעה מוחית טראומטית1. מאחר ש-TBI קלה (mTBI) מייצגת את רוב המקרים של פגיעה מוחית טראומטית, במהלך העשורים האחרונים אומצו מודלים רבים של mTBI, הכוללים ירידה במשקל, פגיעת ראש סגורה מונעת בוכנה ופגיעה מבוקרת בקליפת המוח, פגיעה סיבובית, פציעה קלה של כלי הקשה מנוזלים ומודלים של פגיעות הדף 2,3. ההטרוגניות של מודלי mTBI שימושית כדי לטפל בתכונות השונות הקשורות ל-mTBI שנצפו אצל אנשים ולעזור להעריך את המנגנונים התאיים והמולקולריים הקשורים לפגיעה מוחית.

מבין המודלים הנפוצים של פגיעת ראש סגורה, אחד המודלים הראשונים והנפוצים ביותר הוא שיטת הירידה במשקל, שבה חפץ נופל מגובה מסוים על ראשו של בעל החיים (מורדם או ער)2,4. בשיטת הירידה במשקל, חומרת הפציעה תלויה במספר פרמטרים, כולל קרניוטומיה המבוצעת או לא, ראש קבוע או חופשי, והמרחק והמשקל של החפץ הנופל 2,4. חסרון אחד של מודל זה הוא השונות הגבוהה בחומרת הפגיעה ושיעור התמותה הגבוה הקשור לדיכאון נשימתי 5,6. חלופה נפוצה היא להעביר את הפגיעה באמצעות מכשיר פנאומטי או אלקטרומגנטי, אשר יכול להיעשות ישירות על דורה חשופה (פגיעה קליפת המוח מבוקרת: CCI) או גולגולת סגורה (פגיעת ראש סגורה: CHI). אחת מנקודות החוזק של הפציעה המונעת על ידי בוכנה היא יכולת השחזור הגבוהה שלה והתמותה הנמוכה. עם זאת, CCI דורש craniotomy7,8, ו craniotomy עצמו גורם דלקת9. במקום זאת, במודל CHI, אין צורך craniotomy. כאמור, לכל מודל יש מגבלות. אחת המגבלות של מודל CHI המתואר במאמר זה היא שהניתוח מבוצע באמצעות מסגרת סטריאוטקסית, וראשו של בעל החיים משותק. בעוד שתנועת ראש מלאה מבטיחה יכולת שחזור, היא אינה מתחשבת בתנועה לאחר הפגיעה שעלולה לתרום לפציעה הקשורה ל-mTBI.

פרוטוקול זה מתאר שיטה בסיסית לביצוע פגיעת CHI עם התקן השפעה אלקטרומגנטי זמין מסחרית10 בעכבר. פרוטוקול זה מפרט את הפרמטרים המדויקים המעורבים כדי להשיג פציעה בעלת יכולת שחזור גבוהה. בפרט, לחוקר יש שליטה מדויקת על הפרמטרים (עומק הפציעה, זמן השהייה ומהירות הפגיעה) כדי להגדיר במדויק את חומרת הפציעה. כפי שתואר, מודל CHI זה מייצר פגיעה הגורמת לפתולוגיה דו-צדדית, הן דיפוזית והן מיקרוסקופית (כלומר, הפעלה כרונית של גליה, נזק אקסונלי וכלי דם), ופנוטיפים התנהגותיים 11,12,13,14,15. בנוסף, המודל המתואר נחשב קל שכן הוא אינו גורם לנגעים מבניים במוח על סמך MRI או נגעים גסים על פתולוגיה אפילו שנה לאחר הפציעה16,17.

Protocol

הניסויים שבוצעו אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC) של אוניברסיטת קנטקי, והן הנחיות ARRIVE והן המדריך לטיפול ושימוש בחיות מעבדה מולאו במהלך המחקר. 1. מערך כירורגי הערה: עכברים שוכנים בקבוצות של 4-5 / כלוב, לחות בחדר הדיור נשמרת ב 43%-47%, ו…

Representative Results

התקן השפעה אלקטרומגנטי סטריאוטקסי זה הוא רב-תכליתי. הוא משמש הן לפגיעה בקליפת המוח המבוקרת על ידי גולגולת פתוחה (CCI) והן לניתוח פגיעת ראש סגורה (CHI). יתר על כן, ניתן לווסת את חומרת הפציעה על ידי שינוי הפרמטרים של הפציעה כגון מהירות הפגיעה, זמן השהייה, עומק הפגיעה, קצה הפגיעה ויעד הפציעה. כאן מת?…

Discussion

מספר שלבים מעורבים ביצירה מחדש של מודל פציעה עקבי באמצעות המודל המתואר. ראשית, קריטי לאבטח נכון את בעל החיים לתוך המסגרת הסטריאוטקסית. ראשו של בעל החיים לא אמור להיות מסוגל לנוע לרוחב, והגולגולת צריכה להיות שטוחה לחלוטין עם ברגמה ולמבדה הקוראות את אותן קואורדינטות. מיקום נכון של מוטות האו?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות תחת מספרי הפרסים R01NS120882, RF1NS119165 ו- R01NS103785 ומספר הפרס של משרד ההגנה AZ190017. התוכן הוא באחריותם הבלעדית של המחברים ואינו מייצג את הדעות הרשמיות של המכונים הלאומיים לבריאות או משרד ההגנה.

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