Inductie van diffuus axonal hersenletsel bij ratten op basis van rotatieversnelling
Summary
Dit protocol valideert een betrouwbaar, gemakkelijk uit te voeren en reproduceerbaar knaagdiermodel van diffuus axonaal letsel (DAI) dat wijdverspreide schade aan witte stof veroorzaakt zonder schedelbreuken of kneuzingen.
Abstract
Traumatisch hersenletsel (TBI) is een belangrijke oorzaak van overlijden en invaliditeit. Diffuus axonal letsel (DAI) is het overheersende letselmechanisme bij een groot percentage TBI-patiënten die ziekenhuisopname nodig hebben. DAI gaat wijdverbreide axonale schade door schudden, rotatie of blast letsel, wat leidt tot snelle axonale stretch letsel en secundaire axonale veranderingen die worden geassocieerd met een langdurige impact op functioneel herstel. Historisch gezien zijn experimentele modellen van DAI zonder brandpuntsletsel moeilijk te ontwerpen. Hier valideren we een eenvoudig, reproduceerbaar en betrouwbaar knaagdiermodel van DAI dat wijdverspreide witte stofschade veroorzaakt zonder schedelbreuken of kneuzingen.
Introduction
Traumatisch hersenletsel (TBI) is een belangrijke oorzaak van overlijden en invaliditeit in de Verenigde Staten. Tberose dragen bij tot ongeveer 30% van alle schadegerelateerde sterfgevallen1,2. De belangrijkste oorzaken van TBI verschillen tussen leeftijdsgroepen en omvatten valpartijen, hoge snelheid botsingen tijdens sport, opzettelijke zelfbeschadiging, motorvoertuig crashes en aanvallen1,2,3.
Brain diffuse axonale letsel (DAI) is een specifiek type TBI veroorzaakt door rotatieversnelling, schudden of ontploffing letsel van de hersenen als gevolg van onbeperkte hoofdbeweging in het moment na letsel4,5,6,7,8. Dai gaat gepaard met wijdverbreide axonale schade die leidt tot langdurige neurologische stoornissen die gepaard gaan met een slechte afloop, omslachtige kosten voor gezondheidszorg en een sterftecijfer van 33-64%1,2,4,5,9,10,11. Ondanks een belangrijk recent onderzoek naar de pathogenese van DAI, is er geen consensus over de beste behandelingsopties11,12,13,14.
In de afgelopen decennia hebben talrijke experimentele modellen geprobeerd om verschillende aspecten van DAI11,12,15,16nauwkeurig te repliceren . Echter, deze modellen hebben beperkingen gezien de unieke presentatie van DAI in vergelijking met andere focale verwondingen. Deze eerdere modellen veroorzaken niet alleen axonale letsel in witte stof regio’s, maar ook resulteren in focale hersenletsel. Klinisch gaat DAI gepaard met microbloedingen, die een belangrijke oorzaak van schade aan witte stof kunnen vormen.
Slechts twee diermodellen zijn aangetoond dat de belangrijkste klinische kenmerken van DAI repliceren. Gennarelli en collega’s produceerden de eerste laterale hoofd rotatie apparaat in 1982, met behulp van non-impact hoofd rotatie versnelling coma te induceren met DAI in een niet-menselijke primaten model15. Dit primatenmodel gebruikte gecontroleerde enkele rotatie voor versnelling en vertraging om het hoofd door 60° binnen 10-20 ms te verplaatsen. Primatenmodellen zijn echter erg duur4,11,16. Deels gebaseerd op het vorige model, een varken model van rotatie versnelling hersenletsel werd ontworpen in 1994 (Ross et al.) met vergelijkbare resultaten14.
Deze twee diermodellen, hoewel ze verschillende presentaties van typische pathologie produceerden, hebben sterk bijgedragen aan de concepten van DAI pathogenese. Snelle hoofdrotatie wordt algemeen aanvaard als de beste methode voor het induceren van DAI, en knaagdieren bieden een minder duur model voor de snelle hoofdrotatie studies11,16. Hier valideren we een eenvoudig, reproduceerbaar en betrouwbaar knaagdiermodel van DAI dat wijdverspreide witte stofschade veroorzaakt zonder schedelbreuken of kneuzingen. Dit huidige model zal een beter begrip van de pathofysiologie van DAI en de ontwikkeling van meer effectieve behandelingen mogelijk maken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft een knaagdiermodel van DAI. In DAI veroorzaakt rotatieversnelling op de hersenen een afschuifeffect dat axonale en biochemische veranderingen teweegbrengt die leiden tot verlies van axonale functie in een progressief proces. Secundaire axonale veranderingen worden veroorzaakt door een snelle axonale stretch letsel en zijn variabel in hun omvang en ernst4,5,10. Binnen enkele uren tot dagen na het primaire …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen dankbaar Dr Nathan Kleeorin (Afdeling Werktuigbouwkunde, Ben-Gurion Universiteit van de Negev) voor zijn hulp bij de biomechanische metingen. Ook danken we professor Olena Severynovska, Maryna Kuscheriava, Maksym Kryvonosov, Daryna Yakumenko en Evgenia Goncharyk van de afdeling Fysiologie, Faculteit Biologie, Ecologie en Geneeskunde, Oles Honchar Dnipro University, Dnipro, Oekraïne voor haar steun en behulpzame bijdragen aan onze discussies.
Materials
| 0.01 M sodium citrate | SIGMA – ALDRICH | ||
| 2.5% normal horse serum | SIGMA – ALDRICH | H0146 | Liquid |
| 4 % buffered formaldehyde solution | |||
| Anti-Amyloid Precursor Protein, C – terminal antibodyproduced in rabbit | SIGMA – ALDRICH | Lot 056M4867V | |
| biotinylated secondary antibody | Vector | BA-1000-1.5 | 10 mM sodium phosphate, pH 7.8, 0.15 M NaCl, 0.08% sodium azide, 3 mg/ml bovine serum albumin |
| bone-cutting forceps | |||
| DAB Peroxidase (HRP) Substrate Kit (with Nickel), 3,3’-diaminobenzidine | vector laboratory | ||
| embedding cassettes | |||
| ethanol 99.9 % | ROMICAL | Flammable Liquid | |
| guillotine | |||
| Hematoxylin | SIGMA – ALDRICH | H3136-25G | |
| Hydrogen peroxide solution | Millipore | 88597-100ML-F | |
| Isofluran, USP 100% | Piramamal Critical Care, Inc | ||
| Olympus BX 40 microscope | Olympus | ||
| paraffine | paraplast plus leica biosystem | Tissue embedding medium | |
| phosphate-buffered saline (PBS) | SIGMA – ALDRICH | P5368-10PAK | Contents of one pouch, when dissolved in one liter of distilled or deionized water, will yield 0.01 M phosphate buffered saline (NaCl 0.138 M; KCl – 0.0027 M); pH 7.4, at 25 °C. |
| Streptavidin HRP | ABCAM | ab64269 | Streptavidin-HRP for use with biotinylated secondary antibodies during IHC / immunohistochemistry. |
| xylene |
Referenzen
- Faul, M., Wald, M. M., Xu, L., Coronado, V. G. Traumatic brain injury in the United States; emergency department visits, hospitalizations, and deaths, 2002-2006. US Government. , (2010).
- Taylor, C. A., Bell, J. M., Breiding, M. J., Xu, L. Traumatic Brain Injury-Related Emergency Department Visits, Hospitalizations, and Deaths – United States, 2007 and 2013. MMWR Surveillance Summaries. 66, 1-16 (2017).
- Peterson, A. B., Xu, L., Daugherty, J., Breiding, M. J. Surveillance report of traumatic brain injury-related emergency department visits, hospitalizations, and deaths, United States, 2014. US Government. , (2014).
- Su, E., Bell, M. Diffuse axonal injury. Translational Research in Traumatic Brain Injury. 57, 41 (2016).
- Hammoud, D. A., Wasserman, B. A. Diffuse axonal injuries: pathophysiology and imaging. Neuroimaging Clinics. 12, 205-216 (2002).
- Adams, J. H., Graham, D. I., Gennarelli, T. A., Maxwell, W. L. Diffuse axonal injury in non-missile head injury. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 54, 481-483 (1991).
- Slazinski, T., Johnson, M. C. Severe diffuse axonal injury in adults and children. Journal of Neuroscience Nursing. 26, 151-154 (1994).
- Gentleman, S. M., et al. Axonal injury: a universal consequence of fatal closed head injury. Acta Neuropathologica. 89, 537-543 (1995).
- Marehbian, J., Muehlschlegel, S., Edlow, B. L., Hinson, H. E., Hwang, D. Y. Medical Management of the Severe Traumatic Brain Injury Patient. Neurocritical Care. 27, 430-446 (2017).
- Adams, J. H., et al. Diffuse axonal injury in head injury: definition, diagnosis and grading. Histopathology. 15, 49-59 (1989).
- Xiao-Sheng, H., Sheng-Yu, Y., Xiang, Z., Zhou, F., Jian-ning, Z. Diffuse axonal injury due to lateral head rotation in a rat model. Journal of Neurosurgery. 93, 626-633 (2000).
- Ross, D. T., Meaney, D. F., Sabol, M. K., Smith, D. H., Gennarelli, T. A. Distribution of forebrain diffuse axonal injury following inertial closed head injury in miniature swine. Experimental Neurology. 126, 291-299 (1994).
- Bullock, R. Opportunities for neuroprotective drugs in clinical management of head injury. Journal of Emergency Medicine. 11, 23-30 (1993).
- Gennarelli, T. A. Mechanisms of brain injury. Journal of Emergency Medicine. 11, 5-11 (1993).
- Gennarelli, T. A., et al. Diffuse axonal injury and traumatic coma in the primate. Annals of Neurology. 12, 564-574 (1982).
- Xiaoshengi, H., Guitao, Y., Xiang, Z., Zhou, F. A morphological study of diffuse axonal injury in a rat model by lateral head rotation trauma. Acta Neurologica Belgica. 110, 49-56 (2010).
- Zlotnik, A., et al. beta2 adrenergic-mediated reduction of blood glutamate levels and improved neurological outcome after traumatic brain injury in rats. Journal of Neurosurgical Anesthesiology. 24, 30-38 (2012).
- Boyko, M., et al. An Alternative Model of Laser-Induced Stroke in the Motor Cortex of Rats. Biological Procedures Online. 21, 9 (2019).
- Boyko, M., et al. The neuro-behavioral profile in rats after subarachnoid hemorrhage. Brain Research. 1491, 109-116 (2013).
- Ma, J., Zhang, K., Wang, Z., Chen, G. Progress of Research on Diffuse Axonal Injury after Traumatic Brain Injury. Neural Plasticity. 2016, 9746313 (2016).
- Medana, I. M., Esiri, M. M. Axonal damage: a key predictor of outcome in human CNS diseases. Brain. 126, 515-530 (2003).
- Tang-Schomer, M. D., Johnson, V. E., Baas, P. W., Stewart, W., Smith, D. H. Partial interruption of axonal transport due to microtubule breakage accounts for the formation of periodic varicosities after traumatic axonal injury. Experimental Neurology. 233, 364-372 (2012).
- Johnson, V. E., Stewart, W., Smith, D. H. Traumatic brain injury and amyloid-beta pathology: a link to Alzheimer’s disease. Nature Reviews Neuroscience. 11, 361-370 (2010).
- Sherriff, F. E., Bridges, L. R., Sivaloganathan, S. Early detection of axonal injury after human head trauma using immunocytochemistry for beta-amyloid precursor protein. Acta Neuropathologica. 87, 55-62 (1994).
- Reichard, R. R., White, C. L., Hladik, C. L., Dolinak, D. Beta-amyloid precursor protein staining of nonaccidental central nervous system injury in pediatric autopsies. Journal of Neurotrauma. 20, 347-355 (2003).
- Gentleman, S. M., Nash, M. J., Sweeting, C. J., Graham, D. I., Roberts, G. W. Beta-amyloid precursor protein (beta APP) as a marker for axonal injury after head injury. Neuroscience Letters. 160, 139-144 (1993).
- Smith, D. H., Hicks, R., Povlishock, J. T. Therapy development for diffuse axonal injury. Journal of Neurotrauma. 30, 307-323 (2013).
- McKenzie, K. J., et al. Is beta-APP a marker of axonal damage in short-surviving head injury. Acta Neuropathologica. 92, 608-613 (1996).
- Wilkinson, A., Bridges, L., Sivaloganathan, S. Correlation of survival time with size of axonal swellings in diffuse axonal injury. Acta Neuropathologicaogica. 98, 197-202 (1999).
- Thompson, H. J., et al. Lateral fluid percussion brain injury: a 15-year review and evaluation. Journal of Neurotrauma. 22, 42-75 (2005).
- Alder, J., Fujioka, W., Lifshitz, J., Crockett, D. P., Thakker-Varia, S. Lateral fluid percussion: model of traumatic brain injury in mice. Journal of Visualized Experiments. , e3063 (2011).
- Povlishock, J., Marmarou, A., McIntosh, T., Trojanowski, J., Moroi, J. Impact acceleration injury in the rat: evidence for focal axolemmal change and related neurofilament sidearm alteration. Journal of Neuropathology & Experimental Neurology. 56, 347-359 (1997).
- Heath, D. L., Vink, R. Impact acceleration-induced severe diffuse axonal injury in rats: characterization of phosphate metabolism and neurologic outcome. Journal of Neurotrauma. 12, 1027-1034 (1995).
- Lighthall, J. W. Controlled cortical impact: a new experimental brain injury model. Journal of Neurotrauma. 5, 1-15 (1988).
- Palmer, A. M., et al. Traumatic brain injury-induced excitotoxicity assessed in a controlled cortical impact model. Journal of Neurochemistry. 61, 2015-2024 (1993).
- Hamm, R. J., et al. Cognitive deficits following traumatic brain injury produced by controlled cortical impact. Journal of Neurotrauma. 9, 11-20 (1992).
- Nyanzu, M., et al. Improving on Laboratory Traumatic Brain Injury Models to Achieve Better Results. International Journal of Medical Sciences. 14, 494-505 (2017).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews Neuroscience. 14, 128-142 (2013).
- Lighthall, J. W., Dixon, C. E., Anderson, T. E. Experimental models of brain injury. Journal of Neurotrauma. 6, 83-97 (1989).
- Meaney, D. F., et al. Modification of the cortical impact model to produce axonal injury in the rat cerebral cortex. Journal of Neurotrauma. 11, 599-612 (1994).
