מודל עכבר שונה של פגיעה מוחית טראומטית קלה חוזרת ונשנית המשלבת חלון גולגולת דליל וכלי הקשה נוזליים
Summary
פרוטוקול זה מציג מודל עכברי שונה של פגיעה מוחית טראומטית קלה חוזרת ונשנית (rmTBI) הנגרמת באמצעות שיטת פגיעת ראש סגור (CHI). הגישה כוללת חלון גולגולת דליל וכלי הקשה נוזליים כדי להפחית את הדלקת הנגרמת בדרך כלל על ידי חשיפה לקרומי המוח, יחד עם שיפור יכולת השחזור והדיוק במידול rmTBI במכרסמים.
Abstract
פגיעה מוחית טראומטית קלה היא הפרעה נוירולוגית הטרוגנית מאוד מבחינה קלינית. מודלים של פגיעה מוחית טראומטית (TBI) הניתנים לשחזור גבוה עם פתולוגיות מוגדרות היטב נחוצים בדחיפות לחקר המנגנונים של נוירופתולוגיה לאחר פגיעה מוחית טראומטית קלה ולבדיקת טיפולים. שכפול כל הסקאלה של TBI במודלים של בעלי חיים הוכח כאתגר. לכן, הזמינות של מודלים מרובים של בעלי חיים של פגיעה מוחית טראומטית נחוצה כדי להסביר את ההיבטים והחומרה המגוונים שנצפו אצל מטופלי TBI. CHI היא אחת השיטות הנפוצות ביותר לייצור מודלים של מכרסמים של rmTBI. עם זאת, שיטה זו רגישה לגורמים רבים, כולל שיטת ההשפעה בה נעשה שימוש, עובי וצורה של עצם הגולגולת, דום נשימה בבעלי חיים, וסוג תמיכת הראש והאימוביליזציה בה נעשה שימוש. מטרת פרוטוקול זה היא להדגים שילוב של חלון גולגולת דליל ושיטות פציעה של כלי הקשה נוזליים (FPI) כדי לייצר מודל עכבר מדויק של rmTBI הקשור ל- CHI. המטרה העיקרית של פרוטוקול זה היא למזער גורמים שעלולים להשפיע על הדיוק והעקביות של מידול CHI ו- FPI, כולל עובי עצם הגולגולת, צורתה ותמיכת הראש. על-ידי שימוש בשיטה של חלון גולגולת דליל, דלקת פוטנציאלית כתוצאה מקרניוטומיה ו-FPI ממוזערת, והתוצאה היא מודל עכבר משופר שמשכפל את המאפיינים הקליניים שנצפו במטופלים עם TBI קל. תוצאות מניתוח התנהגותי והיסטולוגי באמצעות צביעת המטוקסילין ואוזין (HE) מצביעות על כך ש-rmTBI יכול להוביל לפגיעה מצטברת שמייצרת שינויים הן בהתנהגות והן במורפולוגיה הגסה של המוח. בסך הכל, rmTBI הקשור ל-CHI שעבר שינוי מציג כלי שימושי לחוקרים לחקור את המנגנונים הבסיסיים שתורמים לשינויים פתופיזיולוגיים מוקדיים ומפוזרים ב-rmTBI.
Introduction
פגיעה מוחית טראומטית קלה, כולל זעזוע מוח ותת-זעזוע מוח, מהווה את רוב מקרי TBI (>80% מכלל הפגיעה המוחית המוחית טראומטית)1. פגיעה מוחית טראומטית קלה נגרמת בדרך כלל מנפילות, תאונות דרכים, מעשי אלימות, ספורט מגע (למשל, כדורגל, אגרוף, הוקי) ולחימה צבאית 2,3. פגיעה מוחית טראומטית קלה יכולה להוביל לאירועים נוירוביולוגיים המשפיעים על תפקודים נוירו-התנהגותיים לאורך חיי המטופל ולהגביר את הסיכון למחלות נוירודגנרטיביות 4,5,6. מודלים של בעלי חיים מספקים אמצעי יעיל ומבוקר לחקר TBI קלה, בתקווה לשפר עוד יותר את האבחון והטיפול ב-TBI קלה. פותחו מודלים שונים לפגיעה מוחית טראומטית קלה, כגון פגיעה מבוקרת בקליפת המוח (CCI), ירידה במשקל (WD), פגיעה בכלי הקשה בנוזלים (FPI) ומודליםשל פיצוץ-TBI 7,8. אין מודל ניסויי יחיד שיכול לחקות את כל המורכבות של פתולוגיה הנגרמת על ידי TBI 9,10. ההטרוגניות של מודלים אלה מועילה לטיפול בתכונות המגוונות הקשורות לחולי TBI קלים ולחקירת המנגנונים התאיים והמולקולריים המתאימים. אולם לכל מודל של פגיעה מוחית טראומטית בבעלי חייםיש מגבלות 3, המגבילות את הידע הנוכחי שלנו בנוגע לפגיעה מוחית טראומטית קלה בבעלי חיים ואת הרלוונטיות הקלינית שלהם.
המודלים של WD ו-CCI משמשים לשכפול מצבים קליניים כגון אובדן רקמה מוחית, המטומה תת-דוראלית חריפה, פגיעה אקסונלית, זעזוע מוח, תפקוד לקוי של מחסום הדם-מוח ואפילו תרדמת לאחר TBI 3,11,12. מודל WD כרוך בגרימת נזק מוחי על ידי פגיעה בדורה מאטר או בגולגולת עם משקולות הנופלות בחופשיות. ההשפעה של חפץ משוקלל על גולגולת שלמה יכולה לשכפל פציעות מוקדיות/מפוזרות מעורבות; עם זאת, שיטה זו קשורה לדיוק ירוד וחזרתיות של אתר הפציעה, פציעת ריבאונד ושיעור תמותה גבוה יותר עקב שברים בגולגולת 3,11,12. מודל CCI כולל שימוש במתכת מונעת אוויר כדי לפגוע ישירות בדורה מאטר החשוף. בהשוואה לדגם WD, מודל CCI מדויק יותר וניתן לשחזור, אך הוא אינו מייצר פגיעה דיפוזית בשל הקוטר הקטן של קצה11 הפוגע. במהלך מידול FPI, רקמת המוח נעקרת לזמן קצר ומעוותת על ידי כלי הקשה. FPI יכול לגרום לפגיעה מוקדית/מפושטת מעורבת ולשכפל דימום תוך גולגולתי, נפיחות במוח ונזק מתקדם לחומר אפור לאחר TBI. עם זאת, ל-FPI יש שיעור תמותה גבוה עקב נזק לגזע המוח ודום נשימה ממושך 3,12. הקרניוטומיה המעורבת במודלים קונבנציונליים של WD, CCI ו- FPI עלולה להוביל לחבלה בקליפת המוח, נגעים דימומים, נזק למחסום הדם-מוח, חדירת תאי חיסון, הפעלת תאי גלייה, זמן מידול ממושך ותוצאות קטלניות אפשריות 3,12.
TBI קלה מאופיינת בציון GCS (סולם תרדמת גלזגו, GCS) בטווח של 13 עד 152. פגיעה מוחית טראומטית קלה יכולה להיות מוקדית או מפוזרת, והיא קשורה הן לפציעות אקוטיות, כגון פירוק הומאוסטזיס תאי, אקסיטוטוקסיות, דלדול גלוקוז, תפקוד לקוי של המיטוכונדריה, הפרעה בזרימת הדם ונזק אקסונלי, כמו גם פציעות תת-חריפות, כולל נזק אקסונלי, דלקת עצבית וגליוזיס 2,3. למרות התקדמות משמעותית בתיאור הפתופיזיולוגיה המורכבת של TBI, המנגנונים הבסיסיים של TBI/rmTBI קלים נותרו חמקמקים ודורשים חקירה נוספת9. בהתחשב בכך ש-CHI הוא הסוג הנפוץ ביותר של TBI12, פרוטוקול זה מציג גישה חדשנית ליצירת מודל עכבר מבוקר בצורה מדויקת יותר של rmTBI באמצעות התקן FPI שונה לביצוע פגיעה בחלון גולגולת דליל13. על ידי הימנעות מפציעות הנגרמות על ידי קרניוטומיה, עובי גולגולת משתנה ואי דיוקים הנגרמים על ידי צורה, ופציעות ריבאונד, גישה זו שואפת להתגבר על החסרונות העיקריים הקשורים למודלים WD, CCI ו- FPI. יישום השפעת FPI על חלון הגולגולת הדק נוח להערכת נזק לכלי דם מוחיים בעקבות rmTBI ועוזר למזער שיעורי תמותה גבוהים במודלים מסוימים, וכתוצאה מכך דומה יותר למאפיינים הקליניים של חולי TBI.
Protocol
Representative Results
Discussion
TBI מתייחס לשני סוגים עיקריים, סגורים וחודרים, כאשר האחרון מאופיין בהפרעה בגולגולת ובדורה מאטר. נתונים קליניים מצביעים על כך ש- CHIs שכיחים יותר מפציעות חודרות 1,2. לאחר פגיעה מוחית טראומטית קלה אחת, רוב החולים חווים תסמיני PCS שבדרך כלל חולפים תוך פרק זמן קצר, ויש …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי קרן המפתח לפיתוח חברתי של עיריית ג’ינהואה (מס ‘2020-3-071), תוכנית ההכשרה לחדשנות ויזמות של סטודנטים במכללת ג’ג’יאנג (לא: S202310345087, S202310345088) ופרויקט תוכנית פעילות החדשנות של תלמידי ג’ג’יאנג במכללה המחוזית ג’ג’יאנג (2023R404044). המחברים מודים למיס אמה אויאנג (סטודנטית שנה א’ באוניברסיטת ג’ונס הופקינס, תואר ראשון במדעים, בולטימור, ארה”ב) על עריכת המאמר.
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).
