This article describes a method for generating a reproducible spinal cord compression injury (SCI) in the neonatal mouse. The model provides an advantageous platform for studying mechanisms of adaptive plasticity that underlie spontaneous functional recovery.
lesão da medula espinal (SCI) normalmente provoca déficits neurológicos devastadores, nomeadamente através danos às fibras que descem do cérebro para a medula espinhal. Uma grande área atual da pesquisa é focada sobre os mecanismos de plasticidade adaptativa que fundamentam a recuperação funcional espontânea ou induzida a seguir a SCI. recuperação funcional espontânea é relatado para ser maior no início da vida, levantando questões interessantes sobre como adaptativa alterações de plasticidade como a medula espinhal se desenvolve. Para facilitar a investigação dessa dinâmica, temos desenvolvido um modelo SCI no ratinho neonatal. O modelo tem relevância para SCI pediátrica, o que é muito pouco estudada. Porque plasticidade neural no adulto envolve alguns dos mesmos mecanismos como plasticidade neural no início da vida 1, este modelo pode, potencialmente, ter alguma relevância também para adultos SCI. Aqui nós descrevemos todo o procedimento para a geração de uma lesão reprodutível compressão da medula espinhal (SCC) no ratinho neonataltão cedo quanto pós-natal (P) dia 1. SCC é conseguido através da realização de uma laminectomia para um dado nível espinal (aqui descrita em níveis torácicos 9-11) e, em seguida, utilizando um mini-Yasargil aneurisma grampo modificado para comprimir e descomprimir rapidamente a medula espinhal . Como descrito anteriormente, os ratos neonatais ferido pode ser testado para os défices comportamentais ou sacrificados para análise ex vivo fisiológica de conectividade sináptica usando técnicas de gravação óptica electrofisiológicos e alto rendimento 1. Anteriores e em curso estudos com avaliação comportamental e fisiológica demonstraram uma dramática deterioração aguda da motilidade dos membros posteriores seguido por uma recuperação funcional completa dentro de 2 semanas, e a primeira evidência de mudanças no circuito funcional ao nível da identificadas descendente conexões sinápticas 1.
During the last decade, increasing evidence obtained from different spinal cord injury (SCI) models has shown that spinal networks can reorganize spontaneously to contribute to functional recovery1-9. Adaptive plasticity has as a consequence become an important topic in SCI research. It has been shown that plasticity encompasses regrowth of spared axons, sprouting of new axon collaterals and the formation of novel synaptic connections. Much of this knowledge has been obtained from behavioral or anatomical studies in adult animals. An important limitation of adult spinal cord studies is the difficulty of performing high-throughput physiological assessment, which is easier in neonatal preparations1. One major difference is that wholemount ex vivo preparations of the adult brainstem and spinal cord have low viability. Another is that adult spinal tissue is more opaque to light because it is thicker and myelinated. Although recent advances in in vivo imaging (see for example, 10-12) may partially overcome these problems, the possibility of performing high throughput imaging at any desired dorsoventral depth at multiple sites along a given brainstem-spinal cord preparation is currently only feasible in neonates. The immature state of axon myelination in the neonatal spinal cord facilitates high-throughput ex vivo optical recording, thus permitting a dynamic assessment of functional synaptic connections13-17. Combined with genetically encoded calcium reporters and optogenetic stimulation and pharmacology tools, optical approaches can contribute to a deeper understanding of the mechanisms underlying adaptive plasticity.
It is estimated that between 1-10% of all spinal cord injuries affect infants and children18-22. In contrast to adult SCI the pathogenesis and potential for spontaneous recovery in pediatric SCI is less studied. Using a neonatal SCI model can therefore provide more insight into pediatric SCI and contribute to a better understanding of the pathogenetic and recovery mechanisms involved. Moreover, post-SCI plasticity supporting functional recovery in the adult spinal cord is believed to involve at least in part the same mechanisms that govern the development of the central nervous system such as axon growth, branching and formation of new synapses23-26. Thus, using a neonatal SCI model could provide important insights into mechanisms that are also operative in the adult spinal cord, or that could potentially be reinstated in the adult spinal cord (for example by implantation of fetal cells or tissue or of tissue constructed de novo from pluripotent stem cells) to facilitate recovery.
The neonatal mouse thus provides a platform for an integrative, multi-methodological approach to investigating adaptive plasticity following spinal cord injury, in which a combination of behavioral, physiological, anatomical, molecular and genetic methods can be readily employed. Establishing standardized neonatal injury models is an important step in implementing such studies.
Neste artigo são descritos os procedimentos para uma lesão SCC gerado-clip em ratos P1. Os mesmos procedimentos, também pode ser realizada em fases posteriores. Lesões de compressão foram realizados com êxito em P5, P7, P9 e P12 (Züchner, et ai., Manuscrito em preparação). Em todas as fases pós-natal, a anestesia geral é obtida com isoflurano vaporizado com oxigênio puro, mas o resultado anestésico depende muito da idade. Em tentativas iniciais de P1-P4, antes da anestesia local, foi introduzido no protocolo, foi difícil obter uma sedação profunda e prolongada devido a uma janela estreita de dose-efeito entre a sedação e sobredosagem insuficiente. Além disso, as preocupações relacionadas com um efeito neurotóxico de isoflurano em animais recém-nascidos foram levantadas 27-30. Uma combinação de isoflurano e os resultados anestésico bupivacaína locais em uma anestesia mais profunda e mais estável para permitir uma redução da dose de isoflurano por um factor de 2-3. Diferentes tipos de anestesiaSIA foram descritas para roedores neonatais, incluindo Crioanestesia 31,32, mas um inconveniente potencial de Crioanestesia é o seu efeito neuroprotector (revisto por 33,34), o que pode complicar a geração de uma lesão reprodutível e eficiente. Anestesia-barbitúrico com base é considerada para ter uma eficiência mais baixa, em ratos neonatais devido aos níveis mais baixos de albumina do soro e de gordura corporal do que em adultos 35,36.
Embora bastante invasiva e traumática, uma vez que o procedimento é estabelecido a taxa de mortalidade durante a cirurgia é baixa. No entanto, há passos críticos durante o procedimento que requerem uma atenção especial para melhorar a recuperação e sobrevivência dos ratinhos operados. Uma questão importante é selecionar filhotes que terão a melhor chance de sobreviver à cirurgia. Quando o lixo é grande o estado nutricional dos filhotes individuais varia. Além do sangramento inevitável que ocorre durante a cirurgia, os filhotes operados passar horas longe da mãe, e muitas vezes eles não bebem leite antes da manhã seguinte. É assim uma vantagem para seleccionar crias que já possuem uma certa quantidade de leite no estômago. Isto é facilmente visível através da pele abdominal de P0 a P7.
Durante a primeira noite o filhote operado está em grande risco de ser canibalizados pela mãe. Durante o desenvolvimento inicial do presente modelo de mais de metade dos ratos operados estavam em falta na manhã seguinte, com sinais claros de sangue na gaiola. Necrophagy, canibalismo e infanticídio em roedores têm sido estudados há décadas 37-40. Neste estudo, o canibalismo só foi testemunhado uma vez, mas foi considerado uma explicação mais provável do que necrofagia porque os filhotes que foram devolvidos para a jaula eram tipicamente em tão boa forma que a morte por causas naturais durante a noite parecia improvável. Isto levou a idéia de usar um agente farmacológico reversível tais como Diazepam para reduzir a ansiedade e agressividade in a mãe (revisado por 41). A injecção intraperitoneal de Diazepam melhorou muito a situação, soltando a mortalidade durante a primeira noite de mais de 60% para menos de 20%.
Reduzir o tamanho da leitegada através do abate e perturbando o lixo tão pouco quanto possível após o retorno pós-operatório são elementos adicionais que podem beneficiar os animais operados. No entanto, deixando filhotes única operados com a mãe não é benéfico. O melhor equilíbrio entre operados / filhotes não operados podem variar de acordo com a linha, mas para ICR e SCID-ICR ratos que saem 4-5 filhotes operados (lesão ou simulada) em conjunto com 3-4 filhotes não operados deu os melhores resultados.
De um modo geral, a principal limitação deste modelo SCI neonatal é que a medula espinhal neonatal difere em muitos aspectos da medula espinal adulta, e, assim, pode não fornecer resultados experimentais, que são comparáveis aos obtidos a partir de modelos SCI adultos. Essas diferenças incluem o tamanho total evolume da medula espinal, o número de células, a sub-representação de tipos de células específicos, tais como oligodendrócitos, respostas imunes imaturos e circuitos neuronais imaturas. As conclusões extraídas dos experimentos neste modelo deve, portanto, ser considerado com cuidado. Por outro lado, o modelo é relevante para o cenário relativamente menos investigados de SCI pediátrica. Além disso, a fraqueza aparente no que diz respeito aos modelos SCI adultos também uma força potencial, uma vez que pode permitir que a elucidação dos mecanismos de plasticidade que, embora minimamente existentes na medula espinal adulta, podem representar um substrato terapêutico se restabelecido. É concebível que a reintegração de condições neonatais ou mesmo embrionárias poderia ser implementado através da implantação de células ou tecidos menos desenvolvidos ou por tratamento com reagentes que geram o tecido adulto com características de desenvolvimento anteriores. Usando enzimas para eliminar redes perineurais é um exemplo da última abordagem 42,43.
<p class="Jove_content"> Uma questão importante ao estabelecer um modelo animal para SCI é a obtenção de uma lesão padronizada. Este é um aspecto importante que tem sido abordada em vários modelos SCI, por exemplo, o corte transversal, hemissecção, pêndulos, compressão por balão, esmagamento fórceps, compressão de peso estático, etc. Com relação ao impacto dispositivos, os esforços neste sentido resultaram em modelos SCI em roedores adultos, onde vários parâmetros de impacto, como velocidade, força e duração podem ser manipuladas (revisto em 44). Outra abordagem, envolvendo menos equipamento, emprega uma modificação do grampo de aneurisma Kerr-Lougheed 45,46. Estes 2 abordagens são complementares como o pêndulo imita uma lesão contusão enquanto os imita clipe de uma lesão de compressão com algum grau de isquemia concorrente. Devido às restrições de tamanho substancial e uma maior vulnerabilidade dos ratinhos neonatais, a maior mortalidade associada com cirurgias maiores, bem como os custos de desenvolver equipamento escala menor, que foi escolhida para desenvolver uma compressão gerada pelo clipe em vez de uma abordagem contusão gerado pelo pêndulo. Isto foi realizado por adaptação de um aneurisma mini-grampo disponíveis comercialmente para acomodar o tamanho da coluna vertebral de ratos neonatais 1. Adicionando uma rolha garante uma largura de compressão padronizada, e desde que a tensão do clipe comprime ao limite da rolha, a força de compressão durante a fase estática a largura mínima deve variar pouco. O que não é normalizada é a velocidade da compressão, durante a sua fase dinâmica, uma vez que este variará em função da evolução da tensão de grampo sobre a sua vida útil. À medida que a fase estática da compressão dura muito mais tempo do que a fase dinâmica, e há pouco para sugerir que o tecido da medula espinhal exerce tanto de uma força contrária contra as lâminas mini-grampo, é provável que a gravidade da lesão é mais dependente a fase estática. Isto, no entanto, continua a ser testado. Prejuízoseveridade é provável que dependem de múltiplos factores, incluindo a força de compressão estática e a duração, a velocidade de compressão e descompressão, a posição do mini-grampo, e o número de compressões executadas no mesmo local. Assim, a variação combinatória nestes parâmetros poderia resultar na geração de um espectro de severidade de lesões de fraca a grave. Apesar do potencial de variabilidade, em nosso estudo publicado anteriormente 1 obtivemos resultados consistentes no histológica, níveis fisiológicos e comportamentais, por isso há pouco para sugerir que a normalização aceitável é difícil de alcançar. Notamos que, nesse estudo, utilizamos vários métodos de validação em cada nível, incluindo os testes comportamentais, tais como ar-stepping como mostrado na Figura 5.Neste modelo SCI neonatal a lesão poupa uma certa proporção de axônios e, assim, proporciona uma situação favorável para induzir plasticidade adaptativa por meio da re-modeling de conexões poupado e a formação de novos circuitos. Além disso, desde o rato neonatal é bem adequado para investigação por muitos métodos experimentais, é possível usar este modelo para estudar a recuperação funcional e plasticidade adaptativa com uma abordagem integrativa, incluindo testes comportamentais, traçado axonal retrógrado e anterógrado, imuno-histoquímica, eletrofisiologia e alta de gravação óptica -throughput 1. Como exemplo, aproveitamos esta abordagem integrativa para demonstrar re-modelagem de rede ao nível das entradas descendentes específicos usando imagem de cálcio de alto rendimento em ex vivo preparações wholemount do tronco cerebral e medula espinhal feridos 1. Isso pode ser empurrado ainda mais usando ferramentas de neuro-optogenética e farmacologia optogenética para avaliar a remodelação de conexões sinápticas entre as populações específicas de neurônios espinhais.
The authors have nothing to disclose.
This work has been supported by grants from the South-Eastern Norway Regional Health Authority (JLB, 2014119; JCG, project numbers 2015045 and 2012065), by the Norwegian Research Council (JCG, project number 23 00 00) and the University of Oslo.
Plastic seringe (30 or 50 mL) | |||
Plastic petri dish (150x25mm) | |||
Fortec isoflurane vaporizer | Cyprane | We use and old device out of production, check the link for newer device | |
Yasargil temporary aneurysm mini-clip | Æsculap | FE681K | |
Fine -Bore Polyethylene tubing ID 0.58mm, OD 0.96mm | Smiths Medical | 800/100/200 | |
Isoflurane (Forene) | Abbott GmbH & Co. KG | ||
Marcain (Bupivacain) | AstraZeneca | ||
Insuline seringe 0.3ml 30Gx8mm | VWR | 80086-442 | |
Ultra Fine Micro Knife 5mm cutting edge | Fine Science Tools | 10315-12 | |
Extra Fine Graefe Forceps – 0.5mm Tip | Fine Science Tools | 1153-10 | Not really necessary, often the teeth are too large |
Forceps SuperGrip Straight | Fine Science Tools | 00632-11 | Two forceps are necessary |
Spongostan Special 70 x 50 x 1 mm | Ferrosan | ||
Vannas Spring Scissors – 2mm Blades Straight | Fine Science Tools | 15000-03 | |
Vario Clip Applying Forceps | Aesculap | FE502T | |
Vicryl 6–0 (Ethicon) | Johnson and Johnson | J105G | |
Diethrich micro needle holder | 11-510-20 | ||
Temgesic (buprenorphine) | Schering-Plough | ||
Stesolid (diazepam) | Actavis | Also known as Valium | |
Pedamix | Fresenius Kabi | ||
Klorhexidinsprit (chlorhexidine gluconate) | Fresenius Kabi | D08A C02 |