생쥐의 경미한 외상성 뇌 손상에 대한 전자기 제어 폐쇄 머리 모델
Summary
이 프로토콜은 마우스 모델에서 경미한 외상성 뇌 손상을 설명합니다. 특히, 경미한 정중선 폐쇄 두부 손상을 유도하기 위한 단계별 프로토콜 및 동물 모델의 특성화가 충분히 설명된다.
Abstract
잘 정의된 병리를 가진 외상성 뇌 손상(TBI)의 재현성이 높은 동물 모델은 치료적 개입을 테스트하고 TBI가 뇌 기능을 어떻게 변화시키는지에 대한 메커니즘을 이해하는 데 필요합니다. TBI의 여러 동물 모델의 가용성은 사람에게서 볼 수 있는 TBI의 다양한 측면과 중증도를 모델링하는 데 필요합니다. 이 원고는 경미한 TBI의 마우스 모델을 개발하기 위해 정중선 폐쇄 두부 손상(CHI)을 사용하는 방법을 설명합니다. 이 모델은 신경 영상 또는 육안적 신경 손실을 기반으로 하는 구조적 뇌 병변을 생성하지 않기 때문에 경미한 것으로 간주됩니다. 그러나 한 번의 충격으로 부상 후 최소 1개월 후에 인지 장애를 측정할 수 있을 만큼 충분한 병리가 형성됩니다. 정위 유도 전자기 충격기를 사용하여 마우스에서 CHI를 유도하는 단계별 프로토콜이 논문에 정의되어 있습니다. 경미한 정중선 CHI 모델의 이점에는 낮은 사망률로 부상으로 인한 변화의 재현성이 포함됩니다. 이 모델은 신경 영상, 신경 화학적, 신경 병리학 적 및 행동 변화에 대해 손상 후 최대 1 년까지 시간적으로 특성화되었습니다. 이 모델은 동일한 임팩터 장치를 사용하여 제어된 피질 충격의 개방형 두개골 모델을 보완합니다. 따라서 실험실에서는 동일한 임팩터를 사용하여 경미한 확산 TBI와 초점 중등도에서 중증 TBI를 모두 모델링할 수 있습니다.
Introduction
외상성 뇌 손상(TBI)은 종종 낙상, 스포츠 부상, 신체적 폭력 또는 교통사고와 관련된 뇌의 외력에 의해 발생합니다. 2014년 미국 질병통제예방센터(Centers for Disease Control and Prevention)는 253만 명의 미국인이 TBI 관련 사고에 대한 의료 도움을 받기 위해 응급실을 방문했다고 밝혔습니다 1. 경증 TBI(mTBI)가 TBI 사례의 대부분을 차지하기 때문에 지난 수십 년 동안 체중 감소, 피스톤 구동 폐쇄 두부 손상 및 제어된 피질 충격, 회전 손상, 경미한 유체 타격 손상 및 폭발 손상 모델 2,3을 포함하는 여러 mTBI 모델이 채택되었습니다. mTBI 모델의 이질성은 사람에게서 볼 수 있는 mTBI와 관련된 다양한 특징을 해결하고 뇌 손상과 관련된 세포 및 분자 메커니즘을 평가하는 데 유용합니다.
폐쇄 두부 손상의 일반적으로 사용되는 모델 중 최초이자 가장 널리 사용되는 모델 중 하나는 물체를 특정 높이에서 동물의 머리 위로 떨어 뜨리는 체중 낙하 방법입니다 (마취 또는 깨어 있음) 2,4. 체중 감량 방법에서, 부상의 중증도는 개두술 수행 여부, 머리 고정 또는 자유, 낙하물의 거리 및 무게 2,4를 포함한 여러 매개 변수에 따라 달라집니다. 이 모델의 한 가지 단점은 부상의 중증도가 다양하고 호흡 억제와 관련된 사망률이 높다는것입니다 5,6. 일반적인 대안은 공압 또는 전자기 장치를 사용하여 충격을 전달하는 것인데, 이는 노출된 경막(제어된 피질 충격: CCI) 또는 폐쇄된 두개골(폐쇄 두부 손상: CHI)에 직접 수행할 수 있습니다. 피스톤 구동 부상의 장점 중 하나는 높은 재현성과 낮은 사망률입니다. 그러나 CCI는 개두술7,8을 필요로 하며, 개두술 자체는 염증을 유발한다9. 대신 CHI 모델에서는 개두술이 필요하지 않습니다. 이미 언급했듯이 각 모델에는 한계가 있습니다. 본 논문에서 기술한 CHI 모델의 한계 중 하나는 수술이 정위 프레임을 이용하여 수행되고, 동물의 머리가 고정되어 있다는 점이다. 전체 머리 고정은 재현성을 보장하지만 mTBI와 관련된 부상에 기여할 수 있는 충격 후의 움직임을 설명하지 않습니다.
이 프로토콜은 마우스에서 시판되는 전자기 충격기 장치(10)를 사용하여 CHI 충격을 수행하는 기본 방법을 설명한다. 이 프로토콜은 재현성이 높은 부상을 달성하기 위해 관련된 정확한 매개 변수를 자세히 설명합니다. 특히, 조사자는 부상 심각도를 정확하게 정의하기 위해 매개변수(부상 깊이, 체류 시간 및 충격 속도)를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 설명된 바와 같이, 이 CHI 모델은 미만성 및 현미경적 양측 병리(즉, 신경교의 만성 활성화, 축삭 및 혈관 손상) 및 행동 표현형 11,12,13,14,15를 초래하는 손상을 생성합니다. 또한, 기술된 모델은 손상 후 1년이 지나도 MRI에 기초한 구조적 뇌 병변 또는 병리학상의 육안적 병변을 유도하지 않기 때문에 경미한 것으로 간주된다16,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
설명된 모델을 사용하여 일관된 부상 모델을 재현하는 데는 몇 가지 단계가 포함됩니다. 첫째, 동물을 입체 프레임에 올바르게 고정시키는 것이 중요합니다. 동물의 머리는 옆으로 움직일 수 없어야하며, 두개골은 브레그마와 람다가 같은 좌표를 읽는 완전히 평평해야합니다. 이어바를 올바르게 배치하는 것은 이 수술에서 가장 어려운 부분이며, 이는 연습을 통해서만 배울 수 있습니다. 두개골?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작업은 수상 번호 R01NS120882, RF1NS119165 및 R01NS103785 및 국방부 수상 번호 AZ190017로 국립 보건원(National Institutes of Health)에서 부분적으로 지원했습니다. 내용은 전적으로 저자의 책임이며 국립 보건원 또는 국방부의 공식 견해를 나타내지 않습니다.
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
- 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).
- 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).
- 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).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury). Nature Reviews Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Flierl, M. A., et al. Mouse closed head injury model induced by a weight-drop device. Nature Protocols. 4 (9), 1328-1337 (2009).
- Yang, Z., et al. Temporal MRI characterization, neurobiochemical and neurobehavioral changes in a mouse repetitive concussive head injury model. Scientific Reports. 5, 11178 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kawakami, M., Yamamura, K. Cranial bone morphometric study among mouse strains. BMC Evolutionary Biology. 8, 73 (2008).
