نموذج فأر معدل لإصابات الدماغ الرضحية الخفيفة المتكررة التي تتضمن نافذة الجمجمة الرقيقة وقرع السوائل
Summary
يقدم هذا البروتوكول نموذجا معدلا للفأر لإصابات الدماغ الرضحية الخفيفة المتكررة (rmTBI) الناتجة عن طريق طريقة إصابة الرأس المغلقة (CHI). يتميز النهج بنافذة جمجمة رقيقة وقرع سائل لتقليل الالتهاب الذي يسببه عادة التعرض للسحايا ، إلى جانب تحسين قابلية التكاثر والدقة في نمذجة rmTBI في القوارض.
Abstract
إصابات الدماغ الرضحية الخفيفة هي اضطراب عصبي غير متجانس للغاية سريريا. هناك حاجة ماسة إلى نماذج حيوانية لإصابات الدماغ الرضحية (TBI) قابلة للتكرار للغاية مع أمراض محددة جيدا لدراسة آليات علم الأمراض العصبية بعد إصابات الدماغ الرضية الخفيفة واختبار العلاجات. وقد ثبت أن تكرار العواقب الكاملة لإصابات الدماغ الرضية في النماذج الحيوانية يمثل تحديا. لذلك ، فإن توافر نماذج حيوانية متعددة من إصابات الدماغ الرضية ضروري لمراعاة الجوانب والشدة المتنوعة التي شوهدت في مرضى إصابات الدماغ الرضية. CHI هي واحدة من أكثر الطرق شيوعا لتصنيع نماذج القوارض من rmTBI. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة عرضة للعديد من العوامل ، بما في ذلك طريقة التأثير المستخدمة ، وسمك وشكل عظم الجمجمة ، وتوقف التنفس أثناء ، ونوع دعم الرأس والشلل المستخدم. الهدف من هذا البروتوكول هو إظهار مزيج من نافذة الجمجمة الرقيقة وطرق إصابة قرع السوائل (FPI) لإنتاج نموذج فأر دقيق ل rmTBI المرتبط ب CHI. الهدف الأساسي من هذا البروتوكول هو تقليل العوامل التي يمكن أن تؤثر على دقة واتساق نمذجة CHI و FPI ، بما في ذلك سمك عظم الجمجمة والشكل ودعم الرأس. من خلال استخدام طريقة نافذة الجمجمة الرقيقة ، يتم تقليل الالتهاب المحتمل بسبب حج القحف و FPI ، مما يؤدي إلى تحسين نموذج الماوس الذي يكرر السمات السريرية التي لوحظت في المرضى الذين يعانون من إصابات الدماغ الرضية الخفيفة. تشير نتائج التحليل السلوكي والنسيجي باستخدام تلطيخ الهيماتوكسيلين ويوزين (HE) إلى أن rmTBI يمكن أن يؤدي إلى إصابة تراكمية تنتج تغييرات في كل من السلوك والتشكل الإجمالي للدماغ. بشكل عام ، يقدم rmTBI المعدل المرتبط ب CHI أداة مفيدة للباحثين لاستكشاف الآليات الأساسية التي تساهم في التغيرات الفيزيولوجية المرضية البؤرية والمنتشرة في rmTBI.
Introduction
تمثل إصابات الدماغ الرضية الخفيفة، بما في ذلك الارتجاج والارتجاج الفرعي، غالبية جميع حالات إصابات الدماغ الرضية (>80٪ من جميع إصابات الدماغ الرضية)1. عادة ما ينتج إصابات الدماغ الرضية الخفيفة عن السقوط وحوادث المرور وأعمال العنف والرياضات التي تتطلب الاحتكاك (مثل كرة القدم والملاكمة والهوكي) والقتال العسكري 2,3. يمكن أن يؤدي TBI الخفيف إلى أحداث بيولوجية عصبية تؤثر على الوظائف السلوكية العصبية طوال حياة المريض وتزيد من خطر الإصابة بالأمراض التنكسية العصبية4،5،6. توفر النماذج الحيوانية وسيلة فعالة ومضبوطة لدراسة إصابات الدماغ الرضية الخفيفة ، على أمل زيادة تعزيز تشخيص وعلاج إصابات الدماغ الرضية الخفيفة. تم تطوير نماذج مختلفة لإصابات الدماغ الرضية الخفيفة ، مثل التأثير القشري المتحكم فيه (CCI) ، وانخفاض الوزن (WD) ، وإصابة قرع السوائل (FPI) ، ونماذج TBIالانفجار 7,8. لا يوجد نموذج تجريبي واحد يمكن أن يحاكي التعقيد الكامل لعلم الأمراض الناجم عن إصابات الدماغ الرضية 9,10. يعد عدم تجانس هذه النماذج مفيدا لمعالجة السمات المتنوعة المرتبطة بمرضى إصابات الدماغ الرضية الخفيفة والتحقيق في الآليات الخلوية والجزيئية المقابلة. ومع ذلك ، فإن كل نموذج حيواني من إصابات الدماغ الرضية له حدوده3 ، مما يحد من معرفتنا الحالية فيما يتعلق بإصابات الدماغ الرضية الخفيفة الحيوانية وأهميتها السريرية.
يتم استخدام نماذج WD و CCI لتكرار الحالات السريرية مثل فقدان الأنسجة الدماغية ، والورم الدموي الحاد تحت الجافية ، والإصابة المحورية ، وارتجاج الدماغ ، وخلل الحاجز الدموي الدماغي ، وحتى الغيبوبة بعد TBI3،11،12. يتضمن نموذج WD إحداث تلف في الدماغ عن طريق ضرب الأم الجافية أو الجمجمة بأوزان تسقط بحرية. يمكن أن يؤدي تأثير جسم مرجح على جمجمة سليمة إلى تكرار الإصابات البؤرية / المنتشرة المختلطة. ومع ذلك ، ترتبط هذه الطريقة بضعف الدقة والتكرار في موقع الإصابة ، وإصابة الارتداد ، وارتفاع معدل الوفيات بسبب كسور الجمجمة3،11،12. يتضمن نموذج CCI تطبيق معدن يحركه الهواء للتأثير على الأم الجافية المكشوفة مباشرة. بالمقارنة مع طراز WD ، فإن طراز CCI أكثر دقة وقابلية للتكرار ، لكنه لا ينتج عنه إصابة منتشرة بسبب القطر الصغير للطرف المتأثر11. أثناء نمذجة FPI ، يتم إزاحة أنسجة المخ لفترة وجيزة وتشوهها عن طريق الإيقاع. يمكن أن يؤدي FPI إلى إصابة بؤرية / منتشرة مختلطة وتكرار النزيف داخل الجمجمة وتورم الدماغ وتلف المادة الرمادية التدريجي بعد إصابات الدماغ الرضية. ومع ذلك ، فإن FPI لديها معدل وفيات مرتفع بسبب تلف جذع الدماغ وانقطاع النفس المطول 3,12. يمكن أن يؤدي حج القحف المتضمن في نماذج WD و CCI و FPI التقليدية إلى كدمة قشرية ، وآفات نزفية ، وتلف الحاجز الدموي الدماغي ، وتسلل الخلايا المناعية ، وتنشيط الخلايا الدبقية ، ووقت النمذجة المطول ، والنتائج المميتة المحتملة 3,12.
يتميز TBI الخفيف بدرجة GCS (مقياس غلاسكو للغيبوبة ، GCS) في حدود 13 إلى 152. يمكن أن يكون TBI الخفيف إما بؤريا أو منتشرا ويرتبط بكل من الإصابات الحادة ، مثل انهيار التوازن الخلوي ، والسمية المثيرة ، ونضوب الجلوكوز ، وضعف الميتوكوندريا ، واضطراب تدفق الدم ، وتلف المحور العصبي ، وكذلك الإصابات تحت الحادة ، بما في ذلك تلف المحور العصبي ، والتهاب الأعصاب ، والتسمم 2,3. على الرغم من التقدم الكبير في تحديد الفيزيولوجيا المرضية المعقدة لإصابات الدماغ الرضية ، فإن الآليات الأساسية لإصابات الدماغ الرضية الخفيفة / إصابات الدماغ الرضية لا تزال بعيدة المنال وتتطلب مزيدا من التحقيق9. بالنظر إلى أن CHI هو النوع الأكثر شيوعا من TBI12 ، يقدم هذا البروتوكول نهجا جديدا لإنشاء نموذج ماوس يتم التحكم فيه بدقة أكبر من rmTBI باستخدام جهاز FPI معدل لأداء التأثير في نافذة الجمجمة الرقيقة13. من خلال تجنب الإصابات الناجمة عن حج القحف ، وسمك الجمجمة المتغير وعدم الدقة التي يسببها الشكل ، وإصابة الارتداد ، يهدف هذا النهج إلى التغلب على العيوب الرئيسية المرتبطة بنماذج WD و CCI و PPI. يعد تطبيق تأثير FPI على نافذة الجمجمة الرقيقة مناسبا لتقييم تلف الأوعية الدماغية بعد rmTBI ويساعد على تقليل معدلات الوفيات المرتفعة في بعض النماذج ، مما يؤدي إلى تشابه أقرب مع السمات السريرية لمرضى إصابات الدماغ الرضية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يشير TBI إلى نوعين أساسيين ، مغلق ومخترق ، حيث يتميز الأخير باضطراب في الجمجمة والأم الجافية. تشير البيانات السريرية إلى أن CHIs أكثر انتشارا من الإصابات المخترقة 1,2. بعد إصابات الدماغ الرضية الخفيفة ، يعاني معظم المرضى من أعراض متلازمة ما بعد الارتجاج التي عاد…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة التنمية الاجتماعية الرئيسية لبلدية جينهوا (رقم 2020-3-071) ، وبرنامج التدريب على الابتكار وريادة الأعمال لطلاب كلية تشجيانغ (رقم: S202310345087 ، S202310345088) ومشروع خطة نشاط الابتكار العلمي والتكنولوجي لطلاب كلية مقاطعة تشجيانغ (2023R404044). يشكر المؤلفون الآنسة إيما أويانغ (طالبة في السنة الأولى بجامعة جونز هوبكنز ، بكالوريوس العلوم ، بالتيمور ، الولايات المتحدة الأمريكية) على تحرير المقالة لغوية.
Materials
| 75% ethanol | Shandong XieKang Medical Technology Co., Ltd. | 220502 | |
| Buprenorphine hydrochloride | Tianjin Pharmaceutical Research Institute Pharmaceutical Co., Ltd | H12020272 | Solution, Analgesic |
| Carprofen | Shanghai Guchen Biotechnology Co., Ltd | 53716-49-7 | Powder, Analgesic |
| Chlorhexidine digluconate | Shanghai Macklin Biochemical Co.,Ltd. | 18472-51-0 | 19%-21% aqueous solution, Antimicrobial |
| Dental cement and solvent kit | Shanghai New Century Dental Materials Co., Ltd. | 20220405, 3# | Powder reconsituted in matching solvent |
| Dissecting microscope | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 77019 | |
| Erythromycin ointment | Wuhan Mayinglong Pharmaceutical Group Co.,Ltd. | 220412 | Antibiotic |
| Fiber Optic Cold Light Source | Shenzhen RWD Life Science Inc. | F-150C | |
| Flat-tipped micro-drill bit | Shenzhen RWD Life Science Inc. | HM31008 | 2 mm, steel |
| FPI device software | Jiaxing Bocom Biotech Inc. | Biocom Animal Brain Impactor V1.0 | |
| ICR mice | Jinhua Laboratory Animal Center | Stock#2023091 | 25 Male mice, 25-30g, 8 weeks old |
| Isoflurane | Shandong Ante Animal Husbandry Technology Co., Ltd. | 2023090501 | |
| Isothermal heating pad | Wenzhou Repshop Pet Products Co., Ltd. | ||
| Luer Loc hup | Custom made using a 19G needle hub | ||
| Micro hand-held skull drill | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 78001 | Max: 38,000rpm |
| Modified FPI device | Jiaxing Bocom Biotech Inc. | ||
| Morris water maze | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 63031 | Evaluate mouse spatial learning and memory abilities |
| Open field | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 63008 | Evaluate mouse locomoation and anxiety |
| Ophthalmic lubricant | Suzhou Tianlong Pharmaceutical Co., Ltd. | SC230724B | |
| Sodium diclofenac ointment | Wuhan Mayinglong Pharmaceutical Group Co.,Ltd. | 221207 | nonsteroidal anti-inflammatory drug |
| Small animal anesthesia system-Enhanced | Shenzhen RWD Life Science Inc. | R530IP | |
| Smart video-tracking system | Panlab Harvard Apparatus Inc., MA, USA | V3.0 | Animal tracking and analysis |
| Stereotactic frame | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 68043 | |
| Vetbond Tissue Adhesive | 3M, St Paul, MN, USA | 202402AX | Suture the animal wound |
| Y maze | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 63005 | Evaluate mouse spatial working memory |
References
- Jiang, J. Y., et al. Traumatic brain injury in china. Lancet Neurol. 18 (3), 286-295 (2019).
- Naumenko, Y., Yuryshinetz, I., Zabenko, Y., Pivneva, T. Mild traumatic brain injury as a pathological process. Heliyon. 9 (7), e18342 (2023).
- Zhao, Q., Zhang, J., Li, H., Li, H., Xie, F. Models of traumatic brain injury-highlights and drawbacks. Front Neurol. 14, 1151660 (2023).
- Grant, D. A., et al. Repeat mild traumatic brain injury in adolescent rats increases subsequent β-amyloid pathogenesis. J Neurotrauma. 35 (1), 94-104 (2018).
- Clark, A. L., et al. Repetitive mtbi is associated with age-related reductions in cerebral blood flow but not cortical thickness. J Cereb Blood Flow Metab. 41 (2), 431-444 (2021).
- Mcallister, T., Mccrea, M. Long-term cognitive and neuropsychiatric consequences of repetitive concussion and head-impact exposure. J Athl Train. 52 (3), 309-317 (2017).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nat Rev Neurosci. 14 (2), 128-142 (2013).
- Pham, L., et al. proteomic alterations following repeated mild traumatic brain injury: Novel insights using a clinically relevant rat model. Neurobiol Dis. 148, 105151 (2021).
- Fehily, B., Fitzgerald, M. Repeated mild traumatic brain injury: Potential mechanisms of damage. Cell Transplant. 26 (7), 1131-1155 (2017).
- Ma, X., Aravind, A., Pfister, B. J., Chandra, N., Haorah, J. Animal models of traumatic brain injury and assessment of injury severity. Mol Neurobiol. 56 (8), 5332-5345 (2019).
- Freeman-Jones, E., Miller, W. H., Work, L. M., Fullerton, J. L. Polypathologies and animal models of traumatic brain injury. Brain Sci. 13 (12), 1709 (2023).
- Petersen, A., Soderstrom, M., Saha, B., Sharma, P. Animal models of traumatic brain injury: A review of pathophysiology to biomarkers and treatments. Exp Brain Res. 239 (10), 2939-2950 (2021).
- Ouyang, W., et al. Modified device for fluid percussion injury in rodents. J Neurosci Res. 96 (8), 1412-1429 (2018).
- Yang, G., Pan, F., Parkhurst, C. N., Grutzendler, J., Gan, W. B. Thinned-skull cranial window technique for long-term imaging of the cortex in live mice. Nat Protoc. 5 (2), 201-208 (2010).
- Liu, Y., Fan, Z., Wang, J., Dong, X., Ouyang, W. Modified mouse model of repeated mild traumatic brain injury through a thinned-skull window and fluid percussion. J Neurosci Res. 101 (10), 1633-1650 (2023).
- Bolton-Hall, A. N., Hubbard, W. B., Saatman, K. E. Experimental designs for repeated mild traumatic brain injury: Challenges and considerations. J Neurotrauma. 36 (8), 1203-1221 (2019).
- Aleem, M., Goswami, N., Kumar, M., Manda, K. Low-pressure fluid percussion minimally adds to the sham craniectomy-induced neurobehavioral changes: Implication for experimental traumatic brain injury model. Exp Neurol. 329, 113290 (2020).
- Katz, P. S., Molina, P. E. A lateral fluid percussion injury model for studying traumatic brain injury in rats. Methods Mol Biol. 1717, 27-36 (2018).
- Xiong, B., et al. Precise cerebral vascular atlas in stereotaxic coordinates of whole mouse brain. Front Neuroanat. 11, 128 (2017).
- Hoogenboom, W. S., et al. Evolving brain and behaviour changes in rats following repetitive subconcussive head impacts. Brain Commun. 5 (6), 316 (2023).
- Lipton, M. L., et al. Soccer heading is associated with white matter microstructural and cognitive abnormalities. Radiology. 268 (3), 850-857 (2013).
- Rubin, T. G., et al. Mri-defined white matter microstructural alteration associated with soccer heading is more extensive in women than men. Radiology. 289 (2), 478-486 (2018).
- Mcinnes, K., Friesen, C. L., Mackenzie, D. E., Westwood, D. A., Boe, S. G. Mild traumatic brain injury (mtbi) and chronic cognitive impairment: A scoping review. PLoS One. 12 (4), e0174847 (2017).
- Marschner, L., et al. Single mild traumatic brain injury results in transiently impaired spatial long-term memory and altered search strategies. Behav Brain Res. 365, 222-230 (2019).
- Hoogenboom, W. S., Branch, C. A., Lipton, M. L. Animal models of closed-skull, repetitive mild traumatic brain injury. Pharmacol Ther. 198, 109-122 (2019).
- Cunningham, J., Broglio, S. P., O’grady, M., Wilson, F. History of sport-related concussion and long-term clinical cognitive health outcomes in retired athletes: A systematic review. J Athl Train. 55 (2), 132-158 (2020).
- Fidan, E., et al. Repetitive mild traumatic brain injury in the developing brain: Effects on long-term functional outcome and neuropathology. J Neurotrauma. 33 (7), 641-651 (2016).
- Nguyen, T., et al. Repeated closed-head mild traumatic brain injury-induced inflammation is associated with nociceptive sensitization. J Neuroinflammation. 20 (1), 196 (2023).
- Ren, H., et al. Enriched endogenous omega-3 fatty acids in mice ameliorate parenchymal cell death after traumatic brain injury. Mol Neurobiol. 54 (5), 3317-3326 (2017).
- 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. J Bone Miner Res. 31 (2), 299-307 (2016).
