Summary

Электромагнитно-управляемая модель легкой черепно-мозговой травмы у мышей с закрытой головой

Published: September 28, 2022
doi:

Summary

Протокол описывает легкую черепно-мозговую травму на мышиной модели. В частности, полностью объясняется пошаговый протокол для индукции легкой закрытой травмы головы по средней линии и характеристика животной модели.

Abstract

Высоковоспроизводимые модели черепно-мозговой травмы (ЧМТ) на животных с четко определенными патологиями необходимы для тестирования терапевтических вмешательств и понимания механизмов того, как ЧМТ изменяет функцию мозга. Наличие нескольких моделей ЧМТ на животных необходимо для моделирования различных аспектов и тяжести ЧМТ, наблюдаемых у людей. В этой рукописи описывается использование средней закрытой черепно-мозговой травмы (ОМС) для разработки мышиной модели легкой ЧМТ. Модель считается мягкой, потому что она не вызывает структурных поражений головного мозга, основанных на нейровизуализации или грубой потере нейронов. Тем не менее, один удар создает достаточно патологии, чтобы когнитивные нарушения можно было измерить по крайней мере через 1 месяц после травмы. В статье определен пошаговый протокол индуцирования ОМС у мышей с использованием электромагнитного ударного элемента со стереотаксическим управлением. Преимущества модели ОМС легкой средней линии включают воспроизводимость изменений, вызванных травмой, с низкой смертностью. Модель была временно охарактеризована до 1 года после травмы для нейровизуализации, нейрохимических, невропатологических и поведенческих изменений. Модель дополняет модели открытого черепа с контролируемым кортикальным воздействием с использованием того же ударного устройства. Таким образом, лаборатории могут моделировать как легкую диффузную ЧМТ, так и очаговую ЧМТ средней и тяжелой степени тяжести с одним и тем же ударом.

Introduction

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) вызвана внешней силой на мозг, часто связанной с падениями, спортивными травмами, физическим насилием или дорожно-транспортными происшествиями. В 2014 году Центры по контролю и профилактике заболеваний определили, что 2,53 миллиона американцев обратились в отделение неотложной помощи, чтобы обратиться за медицинской помощью в связи с несчастными случаями, связанными с ЧМТ1. Поскольку легкая ЧМТ (мЧМТ) составляет большинство случаев ЧМТ, за последние несколько десятилетий было принято несколько моделей ЧМТ, которые включают снижение веса, закрытую черепно-мозговую травму, управляемую поршнем, и контролируемое воздействие коры, ротационную травму, легкую жидкостную ударную травму и модели взрывной травмы 2,3. Гетерогенность моделей mTBI полезна для устранения различных особенностей, связанных с mTBI, наблюдаемых у людей, и для оценки клеточных и молекулярных механизмов, связанных с повреждением головного мозга.

Из широко используемых моделей закрытой черепно-мозговой травмы одной из первых и наиболее широко используемых моделей является метод сброса веса, при котором на голову животного (обезболиваемый или бодрствующий) падает предмет с определенной высоты)2,4. В методе снижения веса тяжесть травмы зависит от нескольких параметров, в том числе от трепанации черепа, неподвижной или свободной головы, а также расстояния и веса падающего предмета 2,4. Одним из недостатков этой модели является высокая вариабельность тяжести травмы и высокий уровень смертности, связанный с угнетением дыхания 5,6. Распространенной альтернативой является нанесение удара с помощью пневматического или электромагнитного устройства, которое может быть выполнено непосредственно на открытой твердой мозговой оболочке (контролируемое корковое воздействие: CCI) или закрытом черепе (закрытая черепно-мозговая травма: CHI). Одной из сильных сторон поршневой травмы является ее высокая воспроизводимость и низкая смертность. Однако CCI требует трепанации черепа 7,8, а сама трепанациячерепа вызывает воспаление9. Вместо этого в модели ОМС нет необходимости в трепанации черепа. Как уже говорилось, каждая модель имеет ограничения. Одним из ограничений модели ОМС, описанной в данной статье, является то, что операция проводится с использованием стереотаксического каркаса, а голова животного обездвиживается. В то время как полная иммобилизация головы обеспечивает воспроизводимость, она не учитывает движение после удара, которое может способствовать травме, связанной с мЧМТ.

В этом протоколе описывается базовый способ выполнения воздействия ОМС с помощью коммерчески доступного электромагнитного ударного устройства10 в мыши. В этом протоколе подробно описаны точные параметры, необходимые для достижения высоковоспроизводимой травмы. В частности, исследователь имеет точный контроль над параметрами (глубина травмы, время выдержки и скорость удара) для точного определения тяжести травмы. Как описано, эта модель ОМС вызывает травму, которая приводит к двусторонней патологии, как диффузной, так и микроскопической (т.е. хронической активации глии, аксонального и сосудистого повреждения), а также поведенческим фенотипам 11,12,13,14,15. Кроме того, описанная модель считается легкой, так как не вызывает структурных поражений головного мозга на основе МРТ или грубых поражений по патологии даже через 1 год после травмы16,17.

Protocol

Проведенные эксперименты были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC) Университета Кентукки, и во время исследования соблюдались как ARRIVE, так и Руководство по уходу и использованию лабораторных животных. 1. Хирургическая ус…

Representative Results

Это стереотаксическое электромагнитное ударное устройство является универсальным. Он используется как для открытого черепно-контролируемого кортикального воздействия (CCI), так и для закрытой черепно-мозговой травмы (CHI). Кроме того, тяжесть травмы можно модулировать, изменяя параметр?…

Discussion

Несколько этапов включают в себя воссоздание согласованной модели травмы с использованием описанной модели. Во-первых, очень важно правильно закрепить животное в стереотаксической рамке. Голова животного не должна иметь возможности двигаться вбок, а череп должен быть полностью плоск…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была частично поддержана Национальными институтами здравоохранения под номерами наград R01NS120882, RF1NS119165 и R01NS103785 и наградой Министерства обороны AZ190017. Содержание является исключительной ответственностью авторов и не отражает официальную точку зрения Национальных институтов здравоохранения или Министерства обороны.

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