Farelerde Hafif Travmatik Beyin Hasarının Elektromanyetik Kontrollü Kapalı Kafa Modeli
Summary
Protokol, bir fare modelinde hafif travmatik beyin hasarını tanımlar. Özellikle, hafif bir orta hat kapalı kafa travmasını indüklemek için adım adım bir protokol ve hayvan modelinin karakterizasyonu tam olarak açıklanmaktadır.
Abstract
İyi tanımlanmış patolojilere sahip travmatik beyin hasarının (TBI) yüksek oranda tekrarlanabilir hayvan modelleri, terapötik müdahaleleri test etmek ve bir TBI’nın beyin fonksiyonunu nasıl değiştirdiğinin mekanizmalarını anlamak için gereklidir. TBI’nın çoklu hayvan modellerinin mevcudiyeti, insanlarda görülen TBI’nın farklı yönlerini ve şiddetlerini modellemek için gereklidir. Bu makalede, hafif TBI’nın bir fare modelini geliştirmek için orta hat kapalı kafa travmasının (CHI) kullanımı açıklanmaktadır. Model hafif olarak kabul edilir, çünkü nörogörüntüleme veya brüt nöronal kayba dayalı yapısal beyin lezyonları üretmez. Bununla birlikte, tek bir etki, bilişsel bozukluğun yaralanmadan en az 1 ay sonra ölçülebilir olması için yeterli patoloji yaratır. Makalede, stereotaksik olarak yönlendirilen bir elektromanyetik darbeci kullanarak farelerde bir CHI’yi indüklemek için adım adım bir protokol tanımlanmıştır. Hafif orta hat CHI modelinin faydaları, yaralanmaya bağlı değişikliklerin düşük mortalite ile tekrarlanabilirliğini içerir. Model, nörogörüntüleme, nörokimyasal, nöropatolojik ve davranışsal değişiklikler için yaralanmadan 1 yıl sonrasına kadar geçici olarak karakterize edilmiştir. Model, aynı darbeci cihazı kullanarak kontrollü kortikal etkinin kafatası modellerini açmak için tamamlayıcıdır. Böylece, laboratuvarlar hem hafif diffüz TBI’yı hem de fokal orta-şiddetli TBI’yı aynı darbeci ile modelleyebilir.
Introduction
Travmatik beyin hasarı (TBI), genellikle düşmeler, spor yaralanmaları, fiziksel şiddet veya trafik kazaları ile ilişkili olan beyindeki dış bir kuvvetten kaynaklanır. 2014 yılında, Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezleri, 2.53 milyon Amerikalının TBI ile ilgili kazalar için tıbbi yardım almak üzere acil servisi ziyaret ettiğini belirledi1. Hafif TBI (mTBI) TBI vakalarının çoğunluğunu temsil ettiğinden, son birkaç on yılda, ağırlık düşüşü, piston tahrikli kapalı kafa travması ve kontrollü kortikal darbe, rotasyonel yaralanma, hafif sıvı perküsyon yaralanması ve patlama yaralanması modelleri 2,3’ü içeren birden fazla mTBI modeli benimsenmiştir. MTBI modellerinin heterojenliği, insanlarda görülen mTBI ile ilişkili farklı özellikleri ele almak ve beyin hasarı ile ilişkili hücresel ve moleküler mekanizmaların değerlendirilmesine yardımcı olmak için yararlıdır.
Yaygın olarak kullanılan kapalı kafa travması modellerinden ilk ve en yaygın kullanılan modellerden biri, bir nesnenin belirli bir yükseklikten hayvanın kafasına (anestezi uygulanmış veya uyanık) düşürüldüğü ağırlık düşürme yöntemidir2,4. Ağırlık düşürme yönteminde, yaralanmanın şiddeti, yapılan veya yapılmayan, kafa sabit veya serbest ve düşen nesnenin mesafesi ve ağırlığı 2,4 dahil olmak üzere çeşitli parametrelere bağlıdır. Bu modelin bir dezavantajı, yaralanmanın şiddetindeki yüksek değişkenlik ve solunum depresyonu ile ilişkili yüksek mortalite oranıdır 5,6. Yaygın bir alternatif, doğrudan maruz kalan dura (kontrollü kortikal darbe: CCI) veya kapalı kafatası (kapalı kafa travması: CHI) üzerinde yapılabilen pnömatik veya elektromanyetik bir cihaz kullanarak etkiyi vermektir. Piston tahrikli yaralanmanın güçlü yönlerinden biri, yüksek tekrarlanabilirliği ve düşük mortalitesidir. Bununla birlikte, CCI kraniyotomi 7,8 gerektirir ve kraniyotominin kendisi inflamasyonu indükler9. Bunun yerine, CHI modelinde, kraniyotomiye gerek yoktur. Daha önce de belirtildiği gibi, her modelin sınırlamaları vardır. Bu yazıda açıklanan CHI modelinin sınırlamalarından biri, ameliyatın stereotaksik bir çerçeve kullanılarak gerçekleştirilmesi ve hayvanın başının hareketsiz hale getirilmesidir. Tam kafa immobilizasyonu tekrarlanabilirliği sağlarken, bir mTBI ile ilişkili yaralanmaya katkıda bulunabilecek darbeden sonraki hareketi hesaba katmaz.
Bu protokol, bir farede ticari olarak temin edilebilen bir elektromanyetik darbe cihazı10 ile bir CHI etkisi gerçekleştirmek için temel bir yöntemi açıklar. Bu protokol, yüksek oranda tekrarlanabilir bir yaralanma elde etmek için ilgili kesin parametreleri detaylandırır. Özellikle, araştırmacı, yaralanma şiddetini kesin olarak tanımlamak için parametreler (yaralanma derinliği, bekleme süresi ve etki hızı) üzerinde hassas kontrole sahiptir. Tarif edildiği gibi, bu CHI modeli, hem yaygın hem de mikroskobik (yani, glia, aksonal ve vasküler hasarın kronik aktivasyonu) ve davranışsal fenotipler 11,12,13,14,15 olmak üzere bilateral patoloji ile sonuçlanan bir yaralanma üretir. Ek olarak, tarif edilen model, yaralanmadan 1 yıl sonra bile MRG’ye dayalı yapısal beyin lezyonlarını veya patolojideki brüt lezyonları indüklemediği için hafif olarak kabul edilir16,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Açıklanan modeli kullanarak tutarlı bir yaralanma modelinin yeniden oluşturulmasında birkaç adım yer almaktadır. İlk olarak, hayvanı stereotaksik çerçeveye doğru şekilde sabitlemek çok önemlidir. Hayvanın başı yanal olarak hareket edememeli ve kafatası aynı koordinatları okuyan bregma ve lambda ile tamamen düz olmalıdır. Kulak çubuklarının doğru yerleştirilmesi bu ameliyatın en zor yönüdür ve bu sadece uygulama ile öğrenilebilir. Kafatası düz değilse, CHI’yi indüklemeden önce kafa…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından R01NS120882, RF1NS119165 ve R01NS103785 ödül numaraları ve Savunma Bakanlığı ödül numarası AZ190017 altında desteklenmiştir. İçerik yalnızca yazarların sorumluluğundadır ve Ulusal Sağlık Enstitüleri veya Savunma Bakanlığı’nın resmi görüşlerini temsil etmemektedir.
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 |
Riferimenti
- 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).
